使用高能源和热焊丝用于增材制造的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种方法和系统，该方法和系统采用高强度能源制造工件从而产生熔池和至少一根电阻加热焊丝，该至少一根电阻加热焊丝被加热到处于或接近其熔化温度并且作为熔滴熔敷到该熔池中。
【专利说明】使用高能源和热焊丝用于増材制造的方法和系统
优先权
[0001 ]本申请是2014年I月24日提交的第14/163,367号美国专利申请的部分继续申请并且要求其优先权，该申请通过引用以其全部内容结合在此。
技术领域
[0002]某些实施例涉及增材制造应用。更具体地，某些实施例涉及一种使用组合式填充焊丝送进和能源系统用于增材制造应用的系统和方法。
背景
[0003]使用各种方法的增材制造的使用近来已经得到发展。然而，已知的方法具有各种缺点。例如，一些工艺使用通常缓慢的金属粉末并且会造成大量粉末浪费。使用基于电弧的系统的其他方法也缓慢并且不准许制造高精度的制品。因此，需要可以高速、并且高精度水平操作的增材制造工艺和系统。
[0004]通过这种方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，常规、传统和所提出的方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。
【发明内容】
[0005]本发明的实施例包括一种用于增材制造的系统和方法，其中，高能装置用高能放电照射工件的表面从而在该工件的表面上产生熔融熔池。送丝装置将焊丝送进到熔池，并且电源向焊丝供应加热信号，其中，该加热信号包括多个电流脉冲，并且其中，这些电流脉冲中的每个电流脉冲在焊丝的熔敷到熔池中的远端上产生熔融熔滴。这些电流脉冲中的每个电流脉冲在送丝器引起焊丝的远端接触所述熔池之后达到峰值电流电平，并且该加热信号在这些电流脉冲中的该多个电流脉冲之间没有电流。该送丝器控制焊丝的移动，这样使得焊丝的远端在这些电流脉冲的后续峰值电流电平之间不与该熔池接触，并且该电源控制该加热电流，这样使得在这些电流脉冲期间，在该焊丝与该工件之间不产生电弧。
附图简要说明
[0006]通过参照附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和/或其他方面将会更加明显，在附图中:
[0007]图1展示了本发明的增材制造系统的示例性实施例的示意性框图；
[0008]图2A至图2D展示了根据本发明的示例性实施例的熔滴熔敷过程；
[0009]图3展示了根据本发明的示例性实施例的熔滴熔敷过程的另一个视图；
[0010]图4A至图4B展示了可以与本发明的实施例一起使用的代表性电流波形；
[0011]图5展示了本发明的电压和电流波形的代表性实施例；
[0012]图6A和图6B展示了用于帮助熔滴熔敷的激光器的利用；
[0013]图7展示了根据本发明的方面的焊丝加热系统的示例性实施例；
[0014]图8A展示了可以与图7的系统一起使用的电流波形的示例性实施例；
[0015]图SB展示了本发明的示例性实施例的电流波形、电压波形、送丝速度和激光功率的示例性实施例；
[0016]图9展示了本发明的焊丝加热系统的另一个示例性实施例；
[0017]图10展示了使用多根焊丝的本发明的进一步的示例性实施例；
[0018]图11展示了本发明的系统的另一个示例性实施例；
[0019]图12展示了根据本发明的实施例的电源系统；
[0020]图13展示了一次使用多个耗材的系统的实施例；
[0021]图14展示了图13中的系统的另一个实施例；
[0022 ]图15展示了图13中所示的系统的进一步的示例性实施例；
[0023]图16展不了非粘结性制造衬底的不例性实施例；
[0024]图17A至图17C展示了非粘结性制造衬底的进一步的示例性实施例；
[0025]图18A展不了具有冷却系统的非粘结性衬底的实施例；
[0026]图18B展示了本发明的实施例可以使用的制造桁架结构的示例性实施例；
[0027]图19A至图19C展示了可以与本文中所描述的系统一起使用的编结增材制造耗材的示例性实施例；
[0028]图20A至图20B展示了根据本发明的实施例已经变形的示例性编结耗材；
[0029]图20C展示了本文中所描述的双丝熔敷接触尖端组件的实施例；
[0030]图20D展示了本发明的双丝接触尖端的进一步的示例性实施例；
[0031]图21A和图21B展示了可以用于使耗材变形以便在熔敷过程中进行输送的本发明的示例性接触尖端组件；
[0032]图22展示了本发明的另一个示例性耗材；
[0033]图23展示了用于本文中所描述的增材制造的耗材的进一步的示例性实施例;并且
[0034]图24A至图24D展示了本发明的实施例可以使用的增材制造耗材的附加示例性实施例。
详细说明
[0035]现在将参照附图来描述本发明的示例性实施例。所描述的示例性实施例旨在帮助理解本发明，而并不旨在以任何方式限制本发明的范围。贯穿全文，相同的参考数字指代相同的元件。
[0036]术语“增材制造”在本文中以广义方式使用并且可以指代任何应用，包括建造、构造、或创造物体或部件。
[0037]图1展示了用于执行增材制造的组合式填充焊丝送进器和能源系统100的示例性实施例的功能性示意框图。系统100包括能够使激光束110聚焦到工件115上从而对工件115加热的激光器子系统。该激光器子系统是高强度能源。该激光器子系统可以是任何类型的高能激光源，包括但不限于二氧化碳、Nd: YAG、Yb-盘、YB-光纤、光纤输送或直接二极管激光器系统。该系统的其他实施例可以包括用作高强度能源的电子束、等离子体弧焊子系统、钨极气体保护弧焊子系统、气体保护金属弧焊子系统、焊剂药芯焊丝弧焊子系统、和埋弧焊子系统中的至少一者。以下说明将重复提到激光器系统、射束和电源，然而，应理解的是，这种引用是示例性的，因为可以使用任何高强度能源。例如，高强度能源可以提供至少500W/cm2。该激光器子系统包括彼此操作性地连接的激光器装置120和激光器电源130。激光器电源130提供用于操作激光器装置120的功率。
[0038]系统100还包括能够提供至少一根电阻填充焊丝140来与激光束110附近的工件115相接触的热填充焊丝送进器子系统。当然，应理解的是，通过在本文中引用工件115，熔融熔池被认为是工件115的一部分，因此对与工件115的接触的引用包括与熔池的接触。送丝器子系统包括填充焊丝送进器150、导电管160、和电源170。在操作过程中，填充焊丝140被来自操作性地连接在导电管160与工件115之间的电源170的电流电阻加热。根据本发明的实施例，尽管交流(AC)或其他类型的电源也是可以的，但电源170是脉冲直流(DC)电源。焊丝140从填充焊丝送进器150通过导电管160被朝着工件115送进并且延伸到该嘴160之夕卜。焊丝140的外延部分被电阻加热，这样使得外延部分在接触到工件上的熔池之前接近或达到熔点。激光束110用于使工件115的基本金属中的某些基本金属熔化从而形成熔池并且还可以用于使焊丝140熔化到工件115上。电源170提供电阻熔化填充焊丝140所需的能量。如以下将进一步解释的，在一些实施例中，电源170提供所需的所有能量，而在其他实施例中，激光器或其他高能热源可以提供该能量中的一些能量。根据本发明的某些其他实施例，送进器子系统可能能够同时提供一根或多根焊丝。这将在以下进行更全面的讨论。
[0039]系统100进一步包括能够使激光束110(能源)和电阻填充焊丝140沿着工件115朝同一方向125移动(至少在相对意义上)的运动控制子系统，这样使得激光束110和电阻填充焊丝140彼此保持相对固定。根据各实施例，工件115与激光/焊丝组合之间的相对运动可以通过实际移动工件115或通过移动激光器装置120和送丝器子系统来实现。在图1中，运动控制子系统包括操作性地连接至机器人190的运动控制器180。运动控制器180控制机器人190的运动。机器人190操作性地连接(例如，以机械方式固定)至工件115从而使工件115在方向125上移动，这样使得激光束110和焊丝140沿着工件115有效地行进。根据本发明的替代性实施例，激光器装置120和导电管160可以被集成到单个头中。该头可以经由操作性地连接至该头的运动控制子系统来沿着工件115移动。
[0040]通常，存在可以使高强度能源/焊丝相对于工件移动的若干种方法。如果工件是圆的，例如，高强度能源/焊丝可以是静止的，而工件可以在该高强度能源/焊丝下旋转。可替代地，机器人臂或线性牵引机可以平行于圆形工件移动，当工件旋转时，高强度能源/焊丝可以连续地移动或者每个循环转位一次以便(例如)覆盖圆形工件的表面。如果工件是扁平的或至少不是圆的，则工件可以如图1中所示的在高强度能源/焊丝下移动。然而，机器人臂或线性牵引机或甚至安装射束的滑架可以用于使高强度能源/焊丝头相对于工件移动。[0041 ]系统100进一步包括感测和电流控制子系统195，该感测和电流控制子系统操作性地连接至工件115和导电管160(即，有效地连接至电源170的输出端)并且能够测量工件115与焊丝140之间的电势差(S卩，电压V)和通过它们的电流(I)。感测和电流控制子系统195可能进一步能够从所测量的电压和电流计算电阻值(R = V/I)和/或功率值(P = V*I)。通常，当焊丝140与工件115接触时，焊丝140与工件115之间的电势差为零伏特或者非常接近零伏特。其结果是，如本文中稍后更详细描述的，感测和电流控制子系统195能够在电阻填充焊丝140与工件115接触和操作性地连接至电源170时进行感测，从而进一步能够响应于该感测而控制通过电阻填充焊丝140的电流流动。根据本发明的另一个实施例，感测和电流控制子系统195可以是电源170的组成部分。
[0042]根据本发明的实施例，运动控制器180可以进一步操作性地连接至激光器电源130和/或感测和电流控制器195。以此方式，运动控制器180和激光器电源130可以彼此通信，这样使得激光器电源130知道工件115什么时候运动，并且这样使得运动控制器180知道激光器装置120是否是活动的。类似地，以此方式，运动控制器180以及感测和电流控制器195可以彼此通信，这样使得感测和电流控制器195知道工件115什么时候运动，并且这样使得运动控制器180知道填充焊丝送进器子系统是否是活动的。这类通信可以用于协调系统100的各子系统之间的活动。
[0043]如众所周知的，增材制造是一种材料熔敷到工件上以便创造所期望的制造产品的工艺。在一些应用中，制品会是非常复杂的。然而，用于增材制造的已知方法和系统常常是缓慢的并且具有的性能有限。本发明的实施例通过提供高速和高准确度增材制造方法和系统解决了那些领域。
[0044]图1中所描绘的系统100是这类示例性系统，其中，焊丝140被重复熔化成熔滴并且熔敷到工件上，从而产生所期望的形状。图2A至图2D示例性描绘了这种工艺。如这些图中所示。如图2A中所示，工件的表面被激光束110(或其他热源)照射，而焊丝140不与工件接触。射束110在工件的表面上产生熔融熔池A。在大多数应用中，熔池A具有小面积，并且穿透水平将不是其他操作(如焊接或接合)所要求的穿透水平。相反，熔池A被产生为使工件的表面准备接收来自焊丝140的微滴并且引起与该微滴的重复粘结。因此，射束110的射束密度使得在工件上仅产生小熔池而不引起太多的热量输入到工件中或造成熔池太大。一旦产生熔池，随着焊丝被推进到熔池A，熔滴D形成在焊丝140的远端以便与熔池A相接触，见图2B。在接触之后，微滴D熔敷到熔池A和工件上(见图2C)。重复这个过程以便创造期望的工件。在图2D中，示出了可选步骤，在该步骤中，在熔敷的微滴D离开焊丝140之后，射束110被引导在该熔敷的微滴处。在这类实施例中，射束110可以用于使工件表面平滑和/或添加附加热量来允许熔滴D完全整合到工件上。进一步地，该射束可以用于提供工件的附加成形。
[0045]图3描绘了来自焊丝140的熔滴D的示例性熔敷过程。图3的左边缘上的图像描绘了焊丝140与工件相接触。电源170检测到这个接触，然后，该电源向焊丝140提供加热电流，以便将该焊丝加热到处于或接近焊丝140的熔化温度。用于检测工件与焊丝140之间的接触的检测电路可以被构造并且像焊接电源中所使用的已知检测电路一样操作，并且因此不需要在本文中提供对该电路操作和结构的详细解释。来自电源170的加热电流非常快速地斜升从而提供必要的能量来使熔滴D从焊丝140的末端熔化。然而，小心控制该电流，从而使得在焊丝140与工件之间不产生电弧。电弧的产生会证明对工件有破坏性并且因此不是令人期望的。因此，以为了防止形成电弧这类方式(以下进行了进一步解释)控制电流。
[0046]转回到图3，焊丝140与工件相接触并且电源170提供熔化电流(I)。在一些示例性实施例中，开路电压OCV可以在接触之前施加于焊丝140。在接触之后，电流快速斜升以便使焊丝140的末端熔化从而产生有待熔敷(2)的熔滴D。电流还引起焊丝140正好在熔滴D上方颈状收缩以便允许熔滴D与焊丝140分离(3)。然而，电流受到控制，这样使得当焊丝140颈状收缩时，电流被关闭或大大减小，从而使得当焊丝140与熔滴D分离时，焊丝140与工件之间不产生电弧(4)。在一些示例性实施例中，在熔滴D与焊丝140之间的连接断开期间和就在其之前，焊丝140可以缩回离开工件。因为熔滴D与熔池相接触，熔池的表面张力将会帮助使熔滴从焊丝140断离。一旦微滴已经与焊丝140分离，焊丝140就被推进以重复该过程，从而熔敷另一个微滴。焊丝140可以被推进到同一位置和/或下一个熔滴可以熔敷在任何期望的位置。
[0047]如之前讨论的，也可以在熔滴D已经熔敷在工件上之后利用激光束110在熔敷之后使工件平滑或以其他方式成形。此外，可以在熔敷过程中进一步利用射束110。也就是，在一些示例性实施例中，射束110可以用于向焊丝140添加热量从而帮助引起熔滴的形成和/或熔滴D与焊丝140的分离。这将在以下进一步讨论。
[0048]现在转到图4A和图4B，每个图描绘了本发明的示例性实施例可以利用的示例性电流波形。在图4A中，如可以看到的，波形400具有多个脉冲401，其中每个脉冲表示来自焊丝140的熔滴D的转移。电流脉冲401在焊丝140接触时开始。然后，电流使用斜升部分402增加到峰值电流电平401，该峰值电流电平就在焊丝140与熔滴D的分离之前发生。在这个实施例中，在斜升部分402过程中，电流不断增加从而引起熔滴形成和在分离之前焊丝发生颈状收缩。在熔滴D分离之前，电流在斜降部分404过程中快速减小，从而使得当发生分离时，不产生电弧。在图4A的波形400中，电流被切断并且下降到零。然而，在本发明的其他示例性实施例中，电流会下降到较低的分离电平而不需要被完全切断，直到发生分离。在这类实施例中，较低的分离电流电平将继续向焊丝140添加热量，从而帮助断开熔滴D。
[0049]图4B描绘了电流波形410的另一个示例性实施例。然而，在本实施例中，脉冲411具有利用多个不同斜坡速率区段的斜升部分402-如所示。在所示实施例中，在熔滴D分离之前，斜升部分402利用三个不同的斜坡速率402A、402B和402C。第一斜坡速率402A非常陡并且电流快速增加以便快速加热焊丝140，从而尽快开始熔化过程。在电流达到第一电平405之后，电流斜坡速率变成比第一斜坡速率更小的第二斜坡速率402B。在一些示例性实施例中，第一电流电平在脉冲的峰值电流电平413的35 %至60 %的范围内。斜坡速率402B小于初始斜坡速率402A以便帮助控制电流和防止形成电弧、或微电弧。在所示实施例中，第二斜坡速率被维持住直到熔滴D开始在焊丝140的远端形成。在所示实施例中，一旦熔滴D开始形成，电流斜坡速率就再次变成小于第二斜坡速率402B的第三斜坡速率402C。再次，斜坡速率的减少允许加强控制电流以便防止不注意产生电弧。如果电流增加太快，当检测到分离时会难以(因为各种问题，如系统电感)快速减小电流并且难以防止产生电弧。在一些示例性实施例中，第二斜坡速率与第三斜坡速率之间的过渡点407在脉冲411的峰值电流电平413的50%至80%的范围内。与图4A中的脉冲相同，当检测到熔滴分离时，电流显著减少，这将在以下进行更全面的解释。还应注意到，本发明的其他实施例可以使用不同的斜坡速率特征曲线而不脱离本发明的范围或精神。例如，这些脉冲可以具有两个不同的斜坡速率区段或者可以具有多于三个斜坡速率区段。此外，这些脉冲可以利用不断变化的斜升。例如，电流可以跟随反抛物曲线达到峰值电流电平，或者可以利用不同配置的组合，其中，恒定斜坡速率可以从焊丝接触开始使用直到第一电流电平405，并且然后可以从那点开始使用反抛物曲线。
[0050]如本文中所解释的，脉冲401/411的峰值电流电平将低于电弧发生电平，但在每个脉冲期间足以熔化掉熔滴D。本发明的示例性实施例可以利用不同的控制方法用于峰值电流电平。在一些示例性实施例中，峰值电流电平可以是由在增材制造之前输入的不同的用户输入参数所确定的峰值电流阈值。这类参数包括焊丝材料类型、焊丝直径、焊丝类型(药芯￥.实芯)和每英寸熔滴数(DP1)。当然，还可以利用其他参数。当接收到此输入信息时，电源170和/或控制器195可以利用不同的控制方法，如查找表，并且确定用于操作的峰值电流值。可替代地，电源170可以监测电源170的输出电流、电压、和/或功率以确定何时将会发生分离并且相应地控制电流。例如，可以监测(使用预感电路等等)dv/dt、di/dt和/dp/dt，并且当确定分离要发生时，关闭或减小电流。这将在以下进行更详细的说明。
[0051]以下讨论了本发明的示例性实施例的用途和操作。在增材制造过程开始时，电源170可以经由电源170在焊丝140与工件115之间施加感测电压。电源170可以根据感测和电流控制器195的命令来施加感测电压。在一些实施例中，所施加的感测电压不提供足够的能量来显著地加热焊丝140。在施加感测电压情况情况下，焊丝140的远端向工件115被推进。然后，激光器120发出射束110来加热工件115的表面并且产生熔池从而接收焊丝140。送丝器150执行该推进，并且当焊丝140的远端首先与工件115接触时，感测到与工件的接触。例如，控制器195可以命令电源170提供通过焊丝140的非常低的电流电平(例如，3到5安培)。该感测可以通过感测和电流控制器195测量焊丝140(例如，经由导电管160)与工件115之间的约零伏特(例如，0.4V)的电势差完成。当填充焊丝140的远端短路连接到工件115 (即，与工件接触)时，填充焊丝140与工件115之间可能不存在显著的电压电平(高于零伏特)。
[0052]在接触之后，电源170可以响应于该感测而在限定的时间间隔内(例如，若干毫秒)被关闭。然后，电源170可以在限定的时间间隔结束时返回来被打开，从而施加通过焊丝140的加热电流流动。并且，在感测到接触之后，射束110可以被关闭以便不向熔池或工件115添加太多热量。在一些实施例中，激光束110可以持续保持着，从而帮助熔滴D的加热和分离。这将在以下进行更详细的讨论。
[0053]在本发明的一些示例性实施例中，该过程可以包括响应于该感测而停止推进焊丝140、在限定的时间间隔结束时重新开始推进(S卩，重新推进)焊丝140、并且验证在施加加热电流流动之前、或者在施加加热电流和并且熔滴D形成之后填充焊丝140的远端仍然与工件115接触。感测和电流控制器195可以命令送丝器150停止送进并且命令系统100等待(例如，若干毫秒)。在这类实施例中，感测和电流控制器195操作性地连接至送丝器150以便命令送丝器150开始和停止。感测和电流控制器195可以命令电源170施加加热电流脉冲从而如上所述加热焊丝140，并且可以重复这个过程以便在工件上熔敷多个熔滴。
[0054]在操作过程中，高强度能源(例如，激光器装置120)和焊丝140可以沿着工件115移动从而按照所期望的那样提供熔滴。运动控制器180命令机器人190相对于激光束110和焊丝140移动工件115。激光器电源130提供用于操作激光器装置120形成激光束110的功率。在进一步的实施例中，激光器装置120包括光学器件，这些光学器件可以被调整成用于改变激光束110在工件的冲击表面上的形状。实施例可以使用射束形状来控制熔敷过程的形状，也就是通过使用矩形、椭圆或卵形形状的射束，可以形成相对窄的熔敷物，从而形成较薄的围壁结构。进一步地，射束形状可以用于在熔滴与耗材分离之后使熔敷物成形。
[0055]如以上讨论的，确定焊丝140与熔滴D之间将要发生断裂时，要关闭或大大减小脉冲电流。这可以用多种不同的方式完成。例如，这类感测可以通过感测和电流控制器195内的预感电路测量焊丝140与工件115之间的电势差(dv/dt)、通过它们的电流(di/dt)、它们之间的电阻(dr/dt)、或通过它们的功率(dp/dt)中的一者的变化速率完成。当变化速率超过预定义值时，感测和电流控制器195正式预测接触损耗将要发生。这类预感电路对于弧焊而言在本领域中是众所周知的，并且其结构和功能不需要在本文中进行详细描述。
[0056]当焊丝140的远端由于加热而变得高度熔化时，远端将会开始从焊丝140上箍断到工件115上。例如，那时，因为当焊丝的远端箍断时，其截面快速减小，所以电势差或电压增加。因此，通过测量这类变化速率，系统100可以预料远端何时将要箍断并且与工件115脱离接触。
[0057]如之前解释的，当感测到熔滴分离时，电源170可以关闭或大大减小电流。例如，在一些示例性实施例中，电流被减小到脉冲的峰值电流值的95%至85%的范围内。在示例性实施例中，这种电流减小在焊丝与熔池之间分离之前发生。
[0058]例如，图5展示了分别与本申请的增材制造工艺相关联的一对电压和电流波形510和520的示例性实施例。电压波形510是由感测和电流控制器195在导电管160与工件115之间测量的。电流波形520是由感测和电流控制器195通过焊丝140与工件115测量的。
[0059]无论何时焊丝140要与工件115脱离接触，电压波形510的变化速率(S卩，dv/dt)将超过预定阈值，从而指示箍断将要发生(见波形510的点511处的斜率)。作为替代方案，通过填充焊丝140和工件115的电流(di/dt)的变化速率、它们之间的电阻(dr/dt)的变化速率、或通过它们的功率(dp/dt)的变化速率可以替代地用于指示箍短将要发生。这类变化速率预感技术在本领域中是众所周知的。在那个时间点，感测和电流控制器195将命令电源170关闭(或至少大大减小)通过焊丝140的电流流动。
[0060]当感测和电流控制器195感测到填充焊丝140的远端在某一时间间隔530(例如，电压电平在点512处下降回到约零伏特)之后再次与工件115形成良好接触时，感测和电流控制器195命令电源170使通过电阻填充焊丝140的电流流动朝着预定输出电流电平550斜升(见斜坡525)。时间间隔530可以是预定时间间隔。根据本发明的实施例，斜升从设定点值540开始。当能源120和焊丝140相对于工件115移动时和当焊丝140由于送丝器150而朝着工件115推进从而在所希望的位置熔敷微滴时，这个过程重复进行。以此方式，防止在焊丝140的远端与工件115之间形成电弧。加热电流的斜坡帮助防止当不存在这类状况时无意中将电压变化速率解释成为箍短状况或形成电弧状况。任何大的电流变化可能由于加热电路的电感而引起采用错误的电压读数。当电流逐渐斜升时，降低了电感效应。
[0061]如之前解释的，电源170向填充焊丝140提供加热电流。电流从接触尖端160流到焊丝140并且然后流到工件中。这个电阻加热电流引起尖端160与工件之间的焊丝140达到处于或接近所采用的填充焊丝140的熔化温度的温度。当然，达到填充焊丝140的熔化温度所需的热量将取决于焊丝140和化学成分而不同。相应地，在制造过程中达到焊丝的熔化温度的热量将取决于焊丝140而不同。如以下将进一步讨论的，填充焊丝的期望操作温度可以是输入到系统中的数据，从而使得在制造过程中维持期望的焊丝温度。在任何情况下，焊丝的温度应使得焊丝140可以将微滴熔敷到熔池中。
[0062]在本发明的示例性实施例中，电源170供应引起焊丝140的远端的至少一部分处于在其熔化温度或高于其90 %的温度下的电流。例如，当使用具有大约2，000° F熔化温度的填充焊丝140时，焊丝接触时的焊丝温度可以为大致I，800° F。当然，应理解的是，对应的熔化温度和所希望的操作温度将至少根据填充焊丝140的合金、组成成分、直径和进给速率而不同。在进一步的示例性实施例中，焊丝的多个部分被维持在处于焊丝的熔化温度或高于其95%的焊丝温度下。当然，在一些实施例中，焊丝的远端被加热电流加热至其熔化温度的至少99%。因此，当加热后的熔滴与激光产生的熔融熔池接触时，来自熔池的热量可以向焊丝140添加热量从而在焊丝140的末端完全产生熔融熔滴，从而使得当焊丝140被抽回时，熔滴粘附至熔池并且与其保持在一起。通过将填充焊丝140维持在接近于或处于其熔化温度的温度，焊丝140容易被熔化进入或被消耗进入热源/激光器120产生的熔池中。也就是，焊丝140处于当焊丝140与熔池接触时不造成使熔池显著淬火的温度。因为焊丝140的高温，当与熔池接触时，焊丝快速熔化。在其他示例性实施例中，焊丝可以被加热到处于其熔化温度或高于其熔化温度的75%。然而，当加热到接近75%的温度时，将很可能的是，将需要附加热量来使显著熔化的熔滴转移。
[0063]如之前描述的，在一些示例性实施例中，可以仅通过焊丝140进入熔池中来促进焊丝140完全熔化。然而，在其他示例性实施例中，焊丝140可以被加热电流、熔池和冲击在焊丝140的一部分上的激光束110的组合完全熔化。也就是，焊丝140的加热/熔化可以由激光束110来帮助，这样使得射束110有助于焊丝140的加热。然而，因为许多填充焊丝140是由可以反射的材料制成的，如果使用反射激光类型，焊丝140应被加热到的温度使得其表面反射率减小，从而允许射束110有助于加热/熔化焊丝140。在这种配置的示例性实施例中，焊丝140和射束110在焊丝140进入熔池的点处相交。图6A和图6B中示出了这种情况。
[0064]如图6A中所示，在一些示例性实施例中，射束110可以用于帮助熔滴D熔敷到工件115上。也就是，射束110可以用于向焊丝140的远端添加热量从而产生熔融熔滴。在这类实施例中，来自电源的加热电流可以保持在远低于电弧发生电平的电平下，从而确保将不会产生电弧但可以实现正确的熔滴转移。在这类实施例中，可以引导射束，这样使得其仅冲击熔滴D，或者在其他实施例中，射束110足够大、被成形或光栅化，其方式为该射束冲击熔滴的至少一部分和熔池的至少某个部分从而有助于向熔池添加热量以接收熔滴D。在射束110的能量密度的示例性实施例中，在该过程的这个阶段过程中，当该射束用于在工件115上产生熔池时，通常小于该射束的能量密度。
[0065]图6B描绘了本发明的其他示例性实施例，其中，在焊丝140处的射束110就在熔滴上方从而帮助其与焊丝分离。在这类实施例中，当感测到或确定焊丝140在熔滴上方颈状收缩，射束110被引导至焊丝，位于熔滴D与焊丝140之间的连接处，这样使得射束110帮助使两者分离。这类实施例帮助防止生成电弧，因为不需要使用加热电流来控制该分离。在一些示例性实施例中，射束110可以来自用于最初产生熔池的同一激光器120。然而，在其他实施例中，图6B中的射束还可以从也由控制器195控制的第二单独的激光器发出。因此，在这类实施例中，当控制器和/或电源检测到熔滴形成或熔滴D即将分离时，在激光束被引导向焊丝140以引起期望的分离的同时，电源170的输出电流可以下降。
[0066]现在转到图7，示出了加热系统700和接触尖端组件707的示例性实施例。通常应注意的是，本发明的实施例可以利用关于热焊丝或一些焊接系统已知的接触尖端160和电阻加热系统，而没有脱离本发明的精神或范围。然而，在其他示例性实施例中，可以利用如图7中所示的系统700。在这个系统700中，接触尖端组件由两个导电部分701和703组成，这些导电部分通过绝缘部分705相互电隔离，该绝缘部分可以由任何电介质材料制成。当然，在其他实施例中，只要尖端部分701和703与彼此电隔离，就不需要存在绝缘部分。系统700还包括切换电路710，该切换电路将电流路径切换到尖端部分701与工件115之间的电源170/切换离开该电源。在一些实施例中，可能令人期望的是在焊丝140不与工件115接触时在制造过程中将焊丝140维持在某个阈值温度。在焊丝140没有与工件115接触时(例如，在重新定位过程中)，不会有电流流过焊丝140，并且如此电阻加热将会停止。当然，残余热量将仍然存在，但会快速减退。这个实施例允许焊丝140被连续加热，即使其不与工件115接触。如所示，一条来自电源的引线联接至接触尖端组件707的上部部分703。在操作过程中，当焊丝140与工件接触时，切换器710被定位成使得电流路径从上部部分703开始、通过焊丝140和工件，从而返回到电源170(切换器710中的虚线)。然而，当微滴D与焊丝140分离并且与工件115的接触断开时，转换器710被转换成使得电流路径从接触尖端部分703到接触尖端部分701并且回到电源170。这允许至少一些加热电流流过工件从而在某一本底加热电平下继续电阻加热焊丝。因为这类配置，焊丝可以被更快速地加热到其期望的熔敷水平。如果熔滴熔敷物之间已经有长持续时间，在该持续时间期间，焊丝可能冷却，则尤其是这种情况。因此，在示例性实施例中，当切换器710处于将电流引导通过工件的第一位置上(第一电流路径)时，电源170提供一个或多个电流脉冲(如本文中概括描述的)，并且然后，当该切换器处于将电流引导通过接触尖端的两个部分701/703从而在熔滴转移中间保持加热焊丝的第二位置上(第二电流路径)时，电源170提供本底电流或加热电流(其可以是例如恒定电流)。在一些实施例中，转换器可以在每个微滴过渡脉冲之前进行转换，而在其他实施例中，转换器可以在多个微滴过渡脉冲之后转换。在示例性实施例中，本底电流电平/加热电流电平被选择成将焊丝保持在期望的-非熔化-温度下的电平。如果温度太高，则会变得难以将焊丝推到熔池。在一些示例性实施例中，本底电流/加热电流在熔滴转移脉冲期间达到的峰值电流电平的10%至70%的范围内。
[0067]应注意的是，在图7中，切换器710被显示为在电源170外部。然而，这种描绘仅是为了清晰并且切换器可以在电源170内部。可替代地，切换器还可以在接触尖端组件707内部。绝缘部分705可以由任何绝缘类型材料制成或者可以仅是部件701和703之间的隔离性间隙。该切换器可以由控制器195(如所示)控制或者取决于期望的配置而可以直接由电源170控制。
[0068]在其他示例性实施例中，焊丝预加热装置可以被定位在组件707的上游，该焊丝预加热装置在焊丝进入尖端707之前对焊丝140进行预加热。例如，该预加热装置可以是感应加热装置，其不需要电流流过焊丝140来加热焊丝140。当然，也可以使用电阻加热系统。这个预加热装置可以用于将焊丝维持在如上所述的温度下。进一步地，预加热装置可以用于还在焊丝被熔敷之前从焊丝140中去除任何不期望的水分(当使用Ti时，这特别重要)。这类预加热系统是众所周知的并且不需要进行详细描述。预加热装置可以被设置成用于在焊丝140进入尖端组件707之前将该焊丝加热至预定温度，从而允许来自电源170的电流用于输送足够的电流来完成熔敷过程。应注意的是，预加热装置应将焊丝140加热到破坏焊丝140的水平，这样使得焊丝140可以被正确地推送通过尖端707。也就是，如果焊丝140太烫，则其会变得过于柔软，当被推送时，这可以破坏焊丝140的响应性。
[0069]图8A描绘了图7中的系统700可以使用的示例性制造电流波形800。在图8A中，基本电流波形800被显示为包括两个分量，脉冲部分801和本底部分803。脉冲部分由用于使如本文中所讨论的微滴熔敷的电流脉冲组成。在这些脉冲期间，电流从尖端部分703被引导通过工件115。然而，在本底部分期间，电流从尖端部分703被引导至部分701从而当焊丝140不与工件115接触时加热该焊丝。当然，应注意的是，接触尖端部分701/703至如图7中所示的正电源端子与负电源端子的连接是示例性的，并且这些连接可以基于所期望的系统设置和性能而被颠倒。如之前所解释的，脉冲801之间的本底电流电平803用于将焊丝保持在微滴熔敷物之间的所维持的温度。在本发明的一些示例性实施例中，本底电流将焊丝140保持在处于焊丝140的熔化温度的40 %至90 %的范围内的温度。在其他示例性实施例中，电流803将焊丝140保持在处于焊丝140的熔化温度的50%至80%的范围内的温度。
[0070]另外应注意的是，可能不期望或没必要在每个脉冲801之间不断地切换到本底电流。在高微滴熔敷速率过程中，可能尤其是如此。也就是，在高熔滴熔敷速率过程中，焊丝140将在熔滴之间被维持在高温水平。因此，在一些示例性实施例中，仅在持续时间已经期满或者当熔滴脉冲之间的持续时间超过阈值时间时才发生到本底加热电流(如上所述)的切换。例如，在一些实施例中，如果脉冲之间的时间超过I秒，则系统700将使用如上所述的切换和本底加热电流。也就是，如果所利用的制造方法具有高于所确定的阈值频率的脉冲频率，则将使用以上切换。在本发明的示例性实施例中，这个阈值在脉冲之间的0.5秒到2.5秒范围内。在其他实施例中，系统700可以利用监测脉冲之间的时间的定时器(在控制器195和/或电源170内部)，并且如果该时间超过阈值量，则将利用上述切换和本底加热电流。例如，如果系统700确定脉冲之间的等待时间已经超过阈值时间限制(例如，I秒)，则将利用本底加热电流来将焊丝140保持在所期望的温度。这类实施例可以用在所设定的阈值时间已经期满的实施例中，也就是，在系统700确定时间限制已经期满时实时使用，或者可以在系统700预测到下一个脉冲在时间限制期满之前不会发生时使用。例如，如果系统700(例如，控制器195)确定下一个脉冲在时间限制期满之前不会发生(例如，由于工件115和/或焊丝140的移动)，则系统700可以立即发起上述切换和本底加热电流。在本发明的示例性实施例中，这个持续时间阈值在0.5秒到2.5秒范围内。
[0071]图SB描绘了本发明的示例性实施例可以用于熔敷如本文中所描述的熔滴的示例性波形。这些示例性波形是针对根据本发明的实施例的单个熔滴的转移。所示波形是针对激光功率810、送丝速度820、增材焊丝加热电流830、和电压840。应理解到，所描述的波形旨在是示例性的，并且本发明的其他实施例可以使用具有与本文中所示或所描述的不同特征的其他波形。如所示，熔滴转移周期在激光功率被引向工件的811开始，并且增加812到峰值激光功率水平813。在持续时间Tp之后，在点814，激光在工件上产生熔池。在这个点时，送丝器开始朝着熔池驱动增材焊丝。在于814产生熔池之后，送丝速度增加821到峰值送丝速度822。在本发明的示例性实施例中，送丝速度在与焊丝的远端与熔池821’接触时大致同一时间达到其峰值水平822ο然而，在其他示例性实施例中，送丝速度可以在焊丝接触之前达到其峰值水平822 ο如所示，在送丝过程开始的同时，开路电压施加于焊丝841，从而使得该焊丝在焊丝与熔池接触之前的某个点达到峰值电压电平842。并且，当焊丝与熔池接触时，加热电流830开始流动(在点831)，并且电压840开始下降843。电压下降到低于电弧检测电压848的水平844，高于该电弧检测电压时，确定将产生电弧。
[0072]在焊丝与熔池接触之后，激光功率810、送丝速度820和电流830被维持在其各自的峰值水平持续时间段Ta，在该时间段期间，焊丝的熔滴熔敷到熔池中。在熔敷时间段Ta期满(在815)之后，该熔敷时间段可以持续加热电源(例如，使用定时器电路)所控制的预定时间段，激光功率随着送丝速度823斜降816。在时间段Ta(顶点834)期满之后并且在激光功率和送丝速度减小时，加热电流830保持在其峰值电平833持续一段时间段。这帮助熔滴与焊丝分离。在熔滴添加期Ta之后，焊丝回缩期Tr开始。在电流830开始其斜降835(在点834开始)之后，送丝速度减小到零(在点827)并且送丝器被控制成以峰值回缩速度825缩回焊丝824。并且，在回缩期期间，电流830减小到回烧电流电平836，该回烧电流电平用于当焊丝从熔池中被抽出时提供焊丝的回烧。在焊丝回缩期Tr期间，电流830被维持在回烧电流电平836直到电压在点845处达到或超过电弧检测电压电平848，该电弧检测电压电平是由于焊丝与熔池分离引起的(导致电流下降和电压增加)。当达到电压电平848时，发起消弧例程847从而防止产生电弧。在这个时间期间，电压爬升到峰值电平846。
[0073]电弧检测电压电平848是电源和/或系统控制器用来确保回撤焊丝与工件之间不产生电弧的预定电平。电弧检测电压电平848由电源和/或系统控制器基于各项用户输入来设定，包括但不限于焊丝类型、焊丝直径、工件材料类型、输入的每英寸熔滴数、输入的每分钟熔滴数等。
[0074]当达到电弧检测电压电平848时(在点845)，电流830被电源切断(837)并且焊丝停止回缩(826)，并且当电流830和送丝速度820各自达到O时，熔滴转移周期在点817结束。在所示实施例中，激光功率810还被显示为在点817周期结束时被切断。在其他示例性实施例中，在达到电弧电压阈值848时(在点845)，激光功率810被切断。然后，针对多次熔滴熔敷来重复这个周期。
[0075]在一些示例性实施例中，(未示出)可以在熔滴转移周期(如图SB中所示)之间发起激光功率脉冲从而在熔滴转移中间帮助使工件平滑或以其他方式向工件添加能量。例如，可以在每个熔滴转移周期中间发起激光功率脉冲，或者在其他实施例中，根据需要，可以在η个熔滴转移周期之后发起激光功率脉冲。
[0076]图9描绘了本发明的另一个示例性系统900。系统900包括本底电源170’和脉冲电源170。除了本底加热电流是由单独的电源170 ’供应的之外，这个系统的操作与以上讨论的操作非常相似。因此，在一些实施例中，本底电源170’可以在制造过程中提供恒定加热电流并且没有必要提供以上讨论的切换。除了脉冲电源170的峰值输出电流由于电源170’提供的额外加热/电流而可以减小以外，该脉冲电源按照本文中另外描述的那样操作。在这类实施例中，脉冲电源170的控制或精度的水平可以得到提高。也就是，由于对电源170需求的电流较少，脉冲电源170可以更快地达到其峰值脉冲水平。当然，在减小电流时亦将如此。电源170/170’中的每个电源可以由控制器195控制，或者可以用主/从关系来配置，这是众所周知的。此外，尽管为了清晰而单独示出了这些电源，但它们可以被容纳在单个单元中而不脱离本发明的精神或范围。
[0077]并且，图9中示出了另一个接触尖端组件900，具有导电部分901和905以及绝缘部分903。在这个实施例中，导电部分905被配置成使得加热电流被传输尽可能靠近焊丝140的外露远端。这类配置帮助确保焊丝的加热保持尽可能靠近该远端，从而优化本底加热的效果。在进一步的实施例中，焊丝140的远端从接触尖端910的伸出量X保持为最小距离。如果伸出量X保持太长，则本底加热电流产生的加热效果会受到不利影响。因此，在一些示例性实施例中，伸出量X保持在0.1英寸到0.5英寸范围内。在其他示例性实施例中，伸出量保持在0.2英寸到0.4英寸范围内。进一步地，在附加示例性实施例中，为了获得本底加热产生的进一步益处，在熔滴脉冲之间，焊丝140被完全或几乎完全被缩回到接触尖端910中，这样使得伸出量X在O英寸到0.15英寸范围内。这类实施例能够将焊丝140的远端保持在所期望的本底加热温度而不使焊丝140的不靠近远端的其他部分过热。在其他示例性实施例中，伸出距离可以更大，特别是当使用更大直径的耗材时。例如，在一些示例性实施例中，伸出距离可以在0.75英寸到2英寸范围内。当然，在一些其他实施例中，可以利用更长的伸出量。
[0078]现在转到图10，描绘了另一个示例性系统1000，在该系统中，接触尖端组件1010能够将不只一根焊丝140/140’输送到工件115。在一些增材制造操作中，可能期望的是针对不同的制造部分利用不同的焊丝。系统1000允许取决于制造所期望的而在不同焊丝之间进行切换。尽管没有示出，但每根焊丝140/140’可以联接至其自己的送丝设备从而在制造过程中根据需要推进、缩回对应的焊丝140/140’。因此，在制造过程中，控制器195可以将接触尖端组件1010定位成使得适当的焊丝用于制造。例如，可能期望的是使用具有第一特性的第一耗材140建造底座，并且然后向那个底座添加使用具有不同特性的焊丝140’制作的层，从而实现所期望的制造结果。例如，基于所期望的制造参数，焊丝140/140’可以具有不同的大小、形状、和/或组成成分。还应注意的是，尽管接触尖端组件被显示为仅具有两根焊丝140/140’，但本发明的实施可以利用接触尖端组件、或将接触尖端分开从而提供任何数量的不同耗材。本发明的实施例在此方面不受限制。
[0079]此外，图10中的接触尖端组件1010被显示为使得焊丝140/140’彼此不绝缘。在这类实施例中，将合适的焊丝推进到工件115以便熔敷，并且如此，来自电源170的电流将被引导通过那根焊丝-从而引起熔敷。当焊丝要更换时，在另一根焊丝被缩回的同时推进另一根焊丝，这样使得电流路径现在通过另一根焊丝。在其他示例性实施例中，接触尖端组件1010可以被构造成使得焊丝140/140’彼此电隔离。在这类实施例中，可以利用像关于图7所讨论的切换。在一些示例性实施例中，激光束(图10中未示出)可以通过在两根焊丝之间被扫描来影响或以其他方式改变焊丝140与140 ’之间在熔池中的能量分布。
[0080]接触尖端组件1010相对于工件115的定位和移动可以通过任何数量的装置来实现。确切地，可以使用任何已知的机器人或运动控制系统而不脱离本发明的精神或范围。也就是，可以使用任何已知的装置或方法(包括机器人系统)来定位适当的焊丝140/140’，并且其可以由控制器195来控制。例如，接触尖端组件1010可以包括三根或更多不同的焊丝并且可以类似于被旋转和定位成允许利用合适的工具的已知计算机数控(CNC)机加工头来构造和利用。这类系统和控制逻辑可以用在本发明的实施例中以提供所期望的焊丝的所期望的定位。
[0081]本发明的实施例使用的焊丝具有具体制造操作需要的大小和化学成分。典型地，焊丝具有圆形截面，其他实施例在此方面不受限制。其他示例性实施例可以基于制造方法和制造过程来利用具有非圆形截面的焊丝。例如，焊丝可以具有多边形、卵形、或椭圆形形状从而实现所期望的制造标准。圆形横截面焊丝可以具有在0.010英寸至0.045英寸范围内的直径。当然，如果期望，可以使用更大的范围(例如，高达5mm)，但随着直径增加，熔滴控制可能变得更加困难。由于使用本文中所描述的激光器和加热控制方法，本发明的实施例可以提供非常精确的制造。利用更小直径焊丝的实施例尤其如此，如在0.010英寸至0.020英寸范围内。通过使用这类小直径，可以实现大DPI(每英寸熔滴数)比，从而提供高度准确和详细的制造。焊丝的化学成分被选择成提供所制造的部件期望的特性。进一步地，所利用的焊丝可以具有实芯或金属芯配置。药芯焊丝可以用于产生复合材料构造。例如，可以使用具有铝护套和氧化铝芯的药芯焊丝。
[0082]应进一步注意的是，因为本文中所描述的工艺没有使用电弧，本发明的大多数应用将不需要任何种类的保护气体。然而，在一些应用中，可能期望的是使用保护气体来防止氧化，或者用于其他目的。
[0083]图11描绘了本发明的又另一个示例性实施例。图11示出了如图1所示的实施例类似的实施例。然而，为了清晰，没有描绘某些部件和连接。图1描绘了系统1100，其中，热传感器1110用于监测焊丝140的温度。热传感器1110可以是能够检测焊丝140的温度的任何已知类型。传感器1110可以与焊丝140接触或者可以联接至尖端160以便检测焊丝的温度。在本发明的进一步的示例性实施例中，传感器1110是使用能够检测小物体(如填充焊丝的直径，而不接触焊丝140)的温度的激光束或红外束的类型。在这类实施例中，传感器1110被定位成使得可以在焊丝140的伸出处检测焊丝140的温度，也就是，在尖端160的末端与熔池之间的某个点。传感器1110还应被定位成使得用于焊丝140的传感器1110不感测熔池温度。
[0084]传感器1110联接至感测和控制单元195(关于图1所讨论的)，这样使得温度反馈信息可以被提供给电源170和/或激光器电源130，从而使得可以优化对系统1100的控制。例如，电源170的功率或输出电流可以至少基于来自传感器1110的反馈被调整。也就是，在本发明的实施例中，用户可以输入期望的温度设置(针对给定的制造操作和/或焊丝140)或者感测和控制单元195可以基于其他用户输入数据(焊条类型等)来设定期望的温度并且然后感测和控制单元195将至少控制电源170来维持那个期望的温度。
[0085]在这类实施例中，可以解释在焊丝140进入熔池之前由于冲击该焊丝的激光束110而可能发生的焊丝140加热。在本发明的实施例中，焊丝140的温度仅经由电源170通过控制焊丝140中的电流来控制。然而，如以上解释的，在其他实施例中，焊丝140的加热的至少某部分可以来自撞击在焊丝140的至少一部分上的激光束110。如此，来自电源170的电流或功率不可以单独表示焊丝140的温度。如此，利用传感器1110可以帮助通过控制电源170和/或激光器电源130来调节焊丝140的温度。
[0086]在进一步的示例性实施例(也在图11中示出)中，温度传感器1120可以被引导来感测熔池的温度。在这个实施例中，熔池的温度还联接至感测和控制单元195。然而，在另一个示例性实施例中，传感器1120可以直接联接至激光器电源130。来自传感器1120的反馈用于控制激光器电源130/激光器120的输出。也就是，激光束110的能量密度可以被修正以确保实现所期望的熔池温度。
[0087]在本发明的又进一步的示例性实施例中，不是将传感器1120引导向熔池，该传感器可以被引导向工件115的与熔池相邻的区域。确切地，可能期望的是确保输入到与熔敷位置相邻的工件115的热量被最小化。传感器1120可以被定位成监测这个对温度敏感的区域，这样使得在熔敷位置相邻处，不超过阈值温度。例如，传感器1120可以监测工件温度和基于感测到温度减小射束110的能量密度。这类配置将确保在熔敷位置相邻处的热量输入不超过期望的阈值。这类实施例可以用在输入到工件中的热量非常重要的精确制造操作中。
[0088]在本发明的另一个示例性实施例中，感测和控制单元195可以联接至送进力检测单元(未示出)，该送进力检测单元联接至送丝机构(未示出，但见图1中的150)。送进力检测单元是已知的并且检测当使焊丝140送进至工件115时施加于该焊丝的送进力。例如，这类检测单元可以监测送丝器150中的送丝电机施加的扭矩，并且因此监测与焊丝140的远端和工件115的接触相关的参数。结合电流和/或电压监测，这可以用于在接触到熔池之后停止送丝，从而允许熔滴D分离。当然，如之前所指示的，控制器195可以只使用电压和/或电流感测来检测焊丝140与熔池之间的接触并且当接触时(如果期望的话)可以单独使用此信息来停止送丝。
[0089]在进一步的示例性实施例中，传感器1120可以用于检测工件上的熔池面积的大小。在这类实施例中，传感器1120可以是热量传感器或视觉传感器并且用于监测熔池的边缘，从而监测熔池的大小和/或位置。然后，控制器195使用检测到的熔池信息来控制如上所述的系统的操作。
[0090]以下内容提供了关于对本发明的各实施例可以使用的加热脉冲的控制的进一步讨论。如之前提到的，当焊丝140的远端与熔池/工件115接触时，两者之间的电压可以处于或接近O伏特。然而，在本发明的其他示例性实施例中，可以提供处于这类电平的电流，从而使得获得高于O伏特的电压电平而不产生电弧。通过利用更高的电流值，可以使焊丝140以更快的速率达到高温、更接近于焊条的熔化温度。这允许更快速地进行制造过程。在本发明的示例性实施例中，电源170监测电压，并且当电压在某个点达到或接近高于O伏特的电压值时，电源170停止将电流流动到焊丝140以确保不产生电弧。至少部分由于所使用的焊丝140的类型，电压阈值电平通常将会变化。例如，在本发明的一些示例性实施例中，阈值电压电平处于或低于6伏特。在另一个示例性实施例中，阈值电平处于或低于9伏特。在进一步的示例性实施例中，阈值电平处于或低于14伏特，并且在附加示例性实施例中；阈值电平处于或低于16伏特。例如，当使用低碳钢焊丝时，电压的阈值电平将是较低类型，而用于不锈钢制造的焊丝可以在产生电弧之前应付更高的电压。因此，这类系统可以监测电压并且通过将电压与电压设定点进行比较来控制加热电流，这样使得当电压超过、或预测将要超过电压设定点时，切断或减小电流。
[0091]在进一步的示例性实施例中，不是维持低于如上阈值的电压电平，电压维持在操作范围内。在这类实施例中，期望的是将电压维持在高于最小量，从而确保足够高的电流来将焊丝维持在或接近其熔化温度，但低于使得一定电压电平，这样使得不产生电弧。例如，电压可以被维持在I到16伏特范围内。在进一步的示例性实施例中，电压被维持在6到9伏特范围内。在另一个示例中，电压可以被维持在12到16伏特之间。当然，所期望的操作范围可以受到用于制造操作的焊丝140的影响，这样使得用于操作的范围(或阈值)至少部分基于所使用的焊丝或所使用的焊丝的特征来选择。在利用这类范围时，范围的底限被设定为焊丝可以充分熔敷在熔池中所在的电压，并且范围的上限被设定为使得避免产生电弧的电压。
[0092]如之前所描述的，当电压超过期望的阈值电压时，加热电流被电源170切断，这样使得不产生电弧。因此，在这类实施例中，可以基于预定或选择的斜坡速率(或多个斜坡速率)来驱动电流，直到达到电压阈值并且然后电流被切断或减小以防止形成电弧。
[0093]在上述许多实施例中，电源170包含用于监测和维持如上所述电压的电路。这种类型的电路的构造对于本行业人员而言是已知的。然而，传统上，这类电路已经用于将电压维持在高于用于弧焊的某一阈值。
[0094]如之前解释的，加热电流还可以被电源170监测和/或调节。作为替代方案，除了监测电压、功率或电压的某一电平/安培数特征以外，这也可以完成。也就是，电流可以被驱动至、或维持在期望的电平以确保焊丝140被维持在适当的温度-以便正确熔敷在熔池中，但还是低于电弧发生电流电平。例如，在这类实施例中，电压和/或电流被监测以确保任一者或两者在指定范围内或低于期望的阈值。然后，电源170调节所供应的电流以确保不产生电弧，但维持所期望的操作参数。
[0095]在本发明的又进一步的示例性实施例中，加热功率(VXI)也可以被电源170监测和调节。确切地，在这类实施例中，用于加热功率的电压和电流被监测从而维持在期望的电平、或在期望的范围内。因此，电源不仅调节到达焊丝的电压或电流，而且还可以调节电流和电压两者。在这类实施例中，至焊丝的加热功率可以被设定为阈值上限水平或最优操作范围，这样使得功率被保持在低于阈值水平或在期望的范围内(类似于以上关于电压讨论的范围)。再次，阈值或范围设置将基于焊丝和正在执行的制造的特征，并且可以至少部分到基于所选择的填充焊丝。例如，可以确定具有0.045”直径的低碳钢焊条的最优功率设置在1950至2，050瓦特范围内。电源将调节电压和电流，这样使得功率被驱动到这个操作范围。类似地，如果功率阈值被设定在2，000瓦特，则电源将调节电压和电流，从而使得功率水平不超过但接近这个阈值。
[0096]在本发明的进一步的实施例中，电源170包含监测加热电压(dv/dt)、电流(di/dt)和/或功率(dp/dt)的变化速率的电路。这类电路经常被称为预感电路，并且其一般构造是已知的。在这类实施例中，电压、电流和/或功率的变化速率被监测，这样使得如果变化速率超过某一阈值，则至焊丝140的加热电流被关闭。
[0097]在本发明的其他示例性实施例，还监测电阻变化(dr/dt)。在这类实施例中，监测接触尖端与熔池之间的焊丝的电阻。如之前解释的，随着焊丝变热，其开始颈状收缩并且这会产生形成电弧的趋势，在此时间期间，焊丝的电阻以指数方式增加。当检测到此增加时，如上所述，电源的输出被关闭以确保不产生电弧。实施例调节电压、电流、或两者以确保焊丝的电阻被维持在期望的水平。
[0098]图12描绘了可以用于向焊丝140提供加热电流的示例性系统1200。(应注意的是，为了清晰，没有示出激光器系统)。系统1200被显示为具有电源1210(该电源可以是与如图1中所示的电源170类似的类型)。电源1210可以具有已知的焊接/加热电源构造，如逆变器式电源。因为这类电源的设计、操作和构造时已知的，本文中将不详细讨论它们。电源1210包含用户输入端1220，该用户输入端允许用户输入数据，包括但不限于:焊丝类型、焊丝直径、期望的功率水平、期望的焊丝温度、电压和/或电流电平。当然，可以根据需要利用其他输入参数。用户界面1220联接至接收用户输入数据并且使用此信息为功率模块1250产生所需操作设定点或范围的CPU/控制器1230。功率模块1250可以是任何已知的类型或构造，包括逆变器式或变压器式模块。应注意的是，还可以在控制器195上找出这些部件中的某个部件，如用户输入端1220。
[0099]CPU/控制器1230可以用任何数量的方式确定所期望的操作参数，包括使用查找表。在这类实施例中，CPU/控制器1230利用输入数据(例如，焊丝直径和焊丝类型)来确定输出端的期望的电流电平(适当地加热焊丝140)和阈值电压或功率水平(或电压或功率的可接受的操作范围)。这是因为将焊丝140加热到适当温度所需的电流将至少基于输入参数。也就是，铝焊丝140可能比低碳钢焊条具有更低的熔化温度，并且因此需要更少的电流/功率来熔化焊丝140。此外，直径更小的焊丝140将需要比直径更大的焊丝更少的电流/功率。并且，随着制造速度增加(并且相应地熔敷速率)，熔化焊丝所需的电流/功率水平可能更尚O
[0100]类似地，CPU/控制器1230将使用输入数据来确定用于操作的电压/功率阈值和/或范围，这样使得避免产生电弧。例如，针对具有0.045英寸的低碳钢焊条，可以具有6到9伏特的电压范围，其中功率模块1250被驱动从而将电压维持在6到9伏特之间。在这类实施例中，电流、电压和/或功率被驱动从而维持6伏特最小值，其确保电流/功率足够高从而适当地加热焊条，并且将电压保持在或低于9伏特以确保不产生电弧并且不超过焊丝140的熔化温度。当然，其他设定点参数(电压、电流、功率、或电阻速率变化)也可以根据期望来由CPU/控制器1230设定。
[0101]如所示，电源1210的正极端子1221联接至系统的接触尖端160，而电源的负极端子联接至工件W。因此，加热电流通过正极端子1221被供应至焊丝140并且通过负极端子1222返回。这类配置是众所周知的。
[0102]反馈感测引线1223也联接至电源1210。这条反馈感测引线可以监测电压并且将检测到的电压输送到电压检测电路1240。电压检测电路1240将检测到的电压和/或检测到的电压变化速率传达给相应地控制模块1250的操作的CPU/控制器1230。例如，如果检测到的电压低于期望的操作范围，则CPU/控制器1230指令模块1250增加其输出(电流、电压、和/或功率)，直到检测到的电压处于期望的操作范围内。类似地，如果检测到的电压处于或高于期望的阈值，则CPU/控制器1230指令模块1250切断到尖端160的电流流动，从而使得不产生电弧。如果电压下降到低于期望的阈值，则CPU/控制器1230指令模块1250供应电流或电压、或两者以继续进行制造过程。当然，CPU/控制器1230还可以指令模块1250维持或供应期望的功率水平。当然，可以利用类似的电流检测电路，而为了清晰没有示出。这类检测电路是众所周知的。
[0103]应注意的是，检测电路1240和CPU/控制器1230可以具有与图1中所示的控制器195类似的构造和操作。在本发明的示例性实施例中，采样/检测速率是至少ΙΟΚΗζ。在其他示例性实施例中，检测/采样速率在10KHz到200KHz范围内。
[0104]在图1和图11中的每个图中，为了清晰，单独示出了激光器电源130、电源170以及感测和控制单元195。然而，在本发明的实施例中，这些部件可以被集成到单个系统中。本发明的各方面不需要和单独物理单元或独立式结构一样维持单独讨论的部件。
[0105]在上述一些示例性实施例中，系统可以用这类方式用于组合如上所述的包覆和熔滴熔敷。也就是，在构造工件过程中，可以不一直要求具有高精度构造，例如，在创造支撑衬底过程中。在这个构造阶段，可以使用热焊丝包覆工艺。这类工艺(和系统)在美国第13/212，025号申请中进行了描述，该申请通过引用以其全文并入本文中。更确切地，本申请完全并入本文中，其程度为本申请描述了在包覆或其他类型的堆焊操作中使用热焊丝系统熔敷材料的系统、使用方法、控制方法等。然后，当期望更精确的熔敷方法来构造工件时，控制器195切换到如上所述的熔滴熔敷方法。控制器195可以控制本文中所描述的系统来根据需要利用熔滴熔敷和包覆熔敷工艺实现所期望的构造。
[0106]上述实施例可以实现高速熔滴熔敷。例如，本发明的实施例可以在1Hz到200Hz范围实现熔滴熔敷。当然，取决于操作参数，可以实现其他范围。在一些实施例中，取决于操作参数中的一些参数，熔滴熔敷频率可以高于200Hz。例如，直径较大的焊丝将通常使用小于200Hz的熔敷频率，而如在0.010英寸到0.020英寸范围内的直径较小的焊丝可以实现更快的频率。影响熔滴熔敷频率的其他因素包括激光功率、工件大小和形状、焊丝大小、焊丝类型、行进速度等。
[0107]图13描绘了本发明的另一个示例性实施例，其中，多个耗材可以同时被熔敷。在所示实施例中，四个耗材正在被熔敷。然而，实施例在此方面不受限制，因为可以利用任何数量。在这类实施例中，由于以便可以熔敷多个耗材，可以加速工件的建造。如以下进一步描述的，可以获得这类配置的其他优点。
[0108]如示例性系统1300中所示，接触尖端组件1305容纳多个接触尖端1303、1303’、1303”、1303”’，其中每个将耗材140、140’、140”、140”(分别)输送到正在创造的工件。在所示实施例中，这些接触尖端中的每个接触尖端彼此电隔离，这样使得每个接触尖端可以接收有待用于熔敷的单独电流波形。例如，如示例性系统1300中所示，电源电联接至每个接触尖端，以便单独提供和控制用于每个耗材的电流波形。如指出的，没有在这个图中示出系统控制器195。然而，系统1300可以包括如本文中前述控制器195，该控制器控制每个电源的操作、以及该操作。在所示实施例中，电源系统1310被显示为具有不同的单独电源模块P.S.#l至P.S.#4(1311、1312、1313和1314)，其中每个电源系统能够输出不同的电流来熔敷耗材。这些电流中的每个电流可以类似于本文中所描述的示例性波形，具有不同的参数等。进一步地，电源1311-1314中的每个电源可以与本文中关于图1至图12所讨论的电源类似的方式被构造和操作。在一些示例性实施例中，电源1311-1314中的每个电源可以是单个电源系统1310中的单独的电源模块，例如，在单个壳体内。在其他示例性实施例中，电源1311-1314中的每个电源可以是单独且不同的电源，这些电源可以彼此链接以使其操作同步、和其他方式控制其操作。
[0109]在操作过程中，系统1300可以通过单遍熔敷多个层从而在衬底S上创造工件。在图13的实施例中，每个耗材140-140” ’正在创造单独层L#1、L#2、L#3、L#4，其中每个后面的耗材正在于前面的层的顶上创造层。这通过使尖端1303-1303”’在如所示的方向上与彼此一致来完成。在熔敷过程中，领头耗材140熔敷在衬底S上，从而创造第一层L#1，而后面的耗材140 ’熔敷到前一个层L#1上，从而创造第二层L#2，等等。为了允许创造这些层，接触尖端组件1305可以在不同的高度熔敷，这些接触尖端相对于衬底S表面在不同的高度。如图13中所示，这些接触尖端具有交错或台阶式形态，从而允许堆叠这些层。在其他示例性实施例中，这些接触尖端可以相对于该表面处于同一水平，但耗材的伸出距离可以被适当调整以实现所期望的层堆叠。
[0110]在本发明的示例性实施例中，耗材之间的间距(在行进方向上)为使得后续层可以被适当地构造在之前熔敷的层上。在示例性实施例中，该间距是使得耗材不熔敷在同一熔池中。也就是，后面的耗材不与前面的熔池接触。然而，对应的熔池在工件上与彼此相邻。也就是，在示例性实施例中，虽然熔池彼此相邻或接近，但其熔融部分不与彼此接触。当然，熔池可以在不同的高程水平(例如，见图13)，并且熔池之间的熔敷物的温度会非常高，但熔融部分彼此不接触。
[0111]应注意的是，尽管没有在图13中示出，但系统1300还可以使用如以上示例性实施中所描述的激光器或热量输入系统。确切地，系统1300可以使用激光器来创造熔融熔池和/或帮助熔化耗材。在一些示例性实施例中，单独的射束可以被引导至每个单独的耗材熔敷过程，并且可以针对每个对应的熔敷过程被单独控制。这些单独的射束可以由单独的激光发射装置产生，或者可以来自单个激光发射装置，但经由光学器件和激光分光镜等被分成多条单独的射束。每个单独的耗材140至140”’的熔敷可以像前述那样受控制。可替代地，在其他示例性实施例中，可以使用在熔敷过程中在耗材之间被光栅化从而为每个耗材熔敷过程提供所期望的热量输入的单个激光/热量源。例如，激光束被光栅化到达每个耗材140-140”’的熔敷物，并且在每个耗材位置的相互作用时间受到控制以针对每个熔敷操作实现所期望的热量输入。
[0112]在本发明的示例性实施例中，耗材140-140”’的类型、大小和组成成分是基于所期望的工件特性来选择的。在一些实施例中，这些耗材140-140” ’的中每个耗材相同，具有相同的直径和组成成分。然而，在其他示例性实施例中，这些耗材可以具有不同的特性。例如，耗材140-140”’可以具有不同的直径，这样使得通过使用不同的直径耗材，层L#l-L#4可以制作成具有不同的宽度。而且，这些耗材可以具有不同组成成分从而允许创造出在不同地方具有不同的物理/组成特征的工件。在这类实施例中，正在被制造的工件的组成成分可以“飞快地”变化。也就是，第一材料可以用于制作工件的某些部分-使用一些接触尖端-并且然后不使系统停止可以根据期望熔敷不同或附加材料。
[0113]例如，本发明的示例性实施例可以用于使用不锈钢和低碳钢的混合物来制造结构或工件。进一步地，可以用添加镍材料来建造这类结构。当然，这些仅仅是示例性的，并且本发明的实施例允许多种材料的混合物建造期望的结构。在其他示例性实施例中，出于各种原因，包括工件的测量，非磁性材料/金属带或层可以添加到工件上。不同的材料也可以用于将材料转变成奥氏体不锈钢。
[0114]除了耗材的不同特性/类型以外，本发明的实施例可以用不同的送丝速度输送耗材140-140”’。也就是，在一些实施例中，所有耗材的送丝速度是相同的。然而，在其他实施例中，可能期望的是改变送丝速度。这可以经由控制器195和耗材的对应的送丝系统(为了清晰，未示出)完成。通过改变对应的送丝速度，正在被创造的工件的物理特性会受到影响。例如，可能期望的是具有层L#1至L#4中的比其他层更薄的至少一个层。在这类实施例中，更薄层的对应耗材的送丝速度可以被减慢，从而产生更薄的层。
[0115]而且，在示例性实施例中，不同电流波形可以被提供至耗材140-140”’。在所示系统1300中，存在向耗材提供对应的熔敷电流的多个单独的电源模块1311-1314。在一些实施例中，这些电流中每个电流可以相同，而在其他实施例中，电流波形可以不同-具有不同的频率、峰值电流电平等。当使用不同的送丝速度和/或不同的耗材来确保正确的熔敷时，会是这种情况。
[0116]通过改变耗材140-140”，中任一耗材的熔敷方面，系统1300为层L#l-L#4的创造提供了显著灵活性。也就是，在示例性实施例中，耗材类型、组成成分、送丝速度、和熔敷电流波形中的任一者、或其组合相对于另一个耗材可以不同，以便实现层或熔敷过程的期望的特性。因此，本发明的实施例允许以耗材的任何熔敷层的构造的相当大的灵活性和精度来快速构造或建造工件。也就是，基于使用不同的熔敷/耗材特性，不同的层可以具有不同的厚度、宽度、形状等。
[0117]图14描绘了图13中所示的系统1300的另一个视图。如所示和以上讨论的，接触尖端1303和1303’安装到根据期望来定向、固持和移动接触尖端的接触尖端组件1305。进一步地，如以上讨论的，接触尖端被固持在交错或台阶式模式下以允许彼此上下创造层-如所示。在这类实施例中，对应的耗材140、140’中的每个耗材的伸出量X被维持成总体相同的距离。然而，在其他实施例中，这不需要是这种情况。也就是，每个耗材140、140’的伸出距离X可以不同以实现期望的熔敷表现。实际上，在一些实施例中，接触尖端1303、1303’可以被固定成使得其对应的远端面相对于衬底S的表面彼此共面。在这类实施例中，当层L#1、L#2按照所示被构造时，后面的耗材(例如，140’)的伸出距离X将小于每个前面的耗材(例如，140)。
[0118]进一步地，如所示，在一些实施例中，接触尖端1303、1303’在接触尖端组件1305内是可移动的。在这类实施例中，致动器机构1320(如辊、致动器等)可以用于将接触尖端1303、1303’移入和移出接触尖端组件1305以便提供正在被构造的工件的期望的伸出量和/或几何结构。致动器1320还可以由控制器195控制(图14中没有)，这样使得接触尖端可以在熔敷过程中“飞快”移动。例如，在熔敷过程中，接触尖端的相对高度和/或耗材的伸出距离X可以被调整以实现正在被制造的工件的期望的几何结构。可以用如上所述的多种方式产生这种移动。例如，伺服机构、电机控制辊、线性致动器等可以用于按照期望移动接触尖端。这类控制增强了系统1300的制造能力的灵活性。
[0119]应注意的是，虽然图13和图14描绘了接触尖端组件1305，这样使得耗材与行进/熔敷方向一致，接触尖端组件1305还可以被定位成侧向配置，在该配置中，接触尖端在与和行进方向垂直的线上。也就是，这些接触尖端可以并排以提供宽材料熔敷。在这类实施例中，耗材彼此相邻、而不是如图13和图14中所示的彼此上下熔敷。当然，在其他示例性实施例中，接触尖端组件1305可以被定向成使得这些接触尖端相对于行进方向有角度地定向。本发明的实施例在此方面不受限制。
[0120]图15描绘了另一个示例性实施例，其中，接触尖端组件1305相对于熔敷过程的行进方向也是可旋转的。如在这个自顶向下视图中所示，在第一位置A上，如图13和图14中所示，耗材成一直线熔敷。随着接触尖端组件1305继续行进，其被旋转到新的位置B，这样使得层的熔敷改变形状，如所示。接触尖端组件1305可以通过任何已知装置和方法来控制和旋转，如通过使用步进电机、电机、或任何其他已知系统(例如，机器人焊接中用于控制/促进移动和旋转的那些系统)。控制器195可以用于控制接触尖端组件1305相对于衬底S的旋转/移动。通过使组件1305可旋转，可以根据需要创造工件的形状。例如，工件的壁厚可以根据需要增加/减小。进一步地，在组件1305旋转过程中，针对任何耗材的送丝速度、电流波形、伸出量和/或接触尖端位置中的任一者、或其组合可以被调整。例如，如在图15中所示，在位置A之前，耗材中只有一个耗材被熔敷来创造层L#l，如所示。这可以是组件中的领头耗材。当组件1305转向时，第二耗材140 ’针对第二层L#2开始被熔敷，这样使得熔敷物L#2联接至并且添加到第一层L#1上。这可以落下来，不是添加不期望的高度，而是仅增加正在被创造的工件的宽度。类似地，当组件1305旋转到期望的位置B时，后续耗材140”和140”’可以用类似方式和按顺序开始熔敷。类似地，这种运动可以用于在工件上创造凸耳或悬突，而不需要用于外悬的额外支撑件。在这类实施例中，组件1305的旋转和对耗材中任一耗材或所有耗材的熔敷的调整(如上所述)可以允许相对容易创造悬突。例如，对送进速率和/或伸出量/接触尖端深度定位的调整可以允许相对简单地创造凸耳。
[0121]因此，系统1300大大提高了本文中所描述的增材制造工艺和系统的制造灵活性。
[0122]图16、图17A-C和图18A描绘了本文中所描述的方法和系统可以使用的衬底1600的示例性实施例。衬底1600是导电的，以便为熔敷电流/波形提供电流路径，但还具有非粘结性表面1610，这样使得在完成制造过程之后，将工件从衬底1600上去除相对容易。
[0123]典型地，在增材制造中，正在构造的工件被置于导电的衬底或表面上，以便为耗材加热电流提供正确的电流路径。然而，因为衬底是导电的(即，金属的)，工件变得与衬底粘结。也就是，在工件的初始制造过程中，最初创造的层经由熔敷过程变得粘附到衬底上。因为这个，需要附加加工步骤来将工件从衬底上去除并且可能从最终工件上去除一些衬底材料。这添加了附加加工并且产生对工件造成破坏的潜在风险。本领域内的技术人员应理解的是，工件与衬底之间的粘结通常在工件与衬底之间存在熔合时发生，这样使得来自工件的材料与衬底的材料在衬底上的掺和剂区中混合，与接合技术一致。本发明的实施例解决了这个问题。
[0124]图16描绘了由导电材料制成的示例性衬底1600，该导电材料允许电流流过该衬底，但防止工件110粘结到该衬底上。例如，在一些示例性实施例中，该衬底可以由铜或石墨制成，铜或石墨导电但不会与铝或钢工件粘结。在示例性实施例中，衬底1600可以被制作成为具有多种不同材料的基质。例如，衬底1600可以由不导电陶瓷或黏土材料基质材料制成，该基质材料具有分布在陶瓷或黏土基质内的导电(例如，金属的)材料从而创造导电路径。如图16中所示，不导电基质1603具有遍布该不导电基质的导电颗粒1605，可以形成从表面1610到接地点1625的电流路径-来自电源的引线可以连接至该接地点。在一些示例性实施例中，衬底1600可以主要是陶瓷，其中铜颗粒1605遍布分布，具有足够的铜量来提供允许电流从衬底的工件表面传递到衬底的另一个位置的铜密度，接地或电流电缆固定到该另一个位置。可以是铜的导电材料1605可以是粉末、粒状、串状或带状形态。然而，导电材料应分布成使得导电路径形成为从表面1600到接地点1625。接地点1625可以定位在衬底1600上的任何地方。应注意的是，在一些不例性实施例中，导电材料没有必要均勾分布在整个衬底结构1600中，而是其应充分分布在整个工件表面1610上从而提供电流路径，从该电流路径开始，工件被定位在衬底表面1610上或在其上开始。基质材料1603可以是任何材料、或者将不会与工件粘结的材料的组合。这些材料可以是不导电的并且具有高熔化温度，从而使得在表面上形成工件的过程中，基质1603的表面将不会熔化。如以上指示的，基质材料可以是黏土、陶瓷中的任一者、或其组合。其他材料可以包括碳含量高的铸铁、或当在表面上进行增材过程时变得脆弱的任何其他合金。如上所述，增材过程具有相对低(如果有的话)掺合剂，因此合金从衬底到建造体中的传播将会是极小的。然而，传播可以使得建造体的第一层变得脆弱，而同时仍然导电。当建造体完成时，使用者于是可以轻易将脆弱的界面弯曲和折断从而将建造体与衬底分开。如以上指示的，陶瓷材料可以用于衬底。这类陶瓷应该具有高熔化温度，如Al2O3,或其他类似陶瓷。在另一个实例中，铝材料或合金可以用作低碳钢建造体的衬底。
[0125]在进一步的示例性实施例中，衬底可以由金属粉末制成，该金属粉末具有的密度使得衬底为建造体工件提供期望的导电率和物理支撑。在这类实施例中，一旦完成，就可以从建造体件轻易敲掉粉末。在更进一步的示例性实施例中，衬底可以由放置在不导电材料(如陶瓷，其在底座材料内可以具有或可以不具有导电材料)底座上的导电层(例如，铜、碳、铁等)组成。通过在基础材料上使用薄层，可以使对衬底的穿入度减小到最小，从而确保不粘结至衬底。
[0126]如图16中所示，在一些示例性实施例中，衬底1600可以具有接触区1620，导电材料存在于该接触区内，而该接触区之外不存在导电材料，或者存在的范围更小，这样使得衬底1600在接触区1620之外导电较弱或不导电。在这类实施例中，工件110起始于或被置于表面1610上，这样使得该工件与接触区1620接触从而确保充分的电接触，因为在接触区1620之外将存在极小导电率或不存在导电率。在这类实施例中，接触区1620具有的面积小于表面1610的面积。进一步地，接触区1620可以成形为任何期望的形状。因此，在示例性实施例中，为了开始增材制造过程，该过程在表面1610的接触区1620开始以确保存在用于工件的电流路径。当构造工件110时，只要工件被制作成为整件(因此具有恒定电流路径)，工件的多个部分就可以在接触区1620之外形成在表面1610上。因此，将一直为制造过程提供电流路径，并且工件110可以被制造在不与工件110粘结的导电表面1610上，从而允许容易去除和加工工件。
[0127]图17A描绘了另一个示例性实施例，其中衬底1600具有导电材料的晶格1630，该晶格在衬底1600的表面1610上创造出网格结构。晶格1630是由导电材料制成的，如铜，被嵌入在衬底1600的材料中(其可以是陶瓷、黏土或其他不导电材料)。晶格1630可以被形成为使得在表面1610上形成网格结构，这样使得不管有待形成的工件110的大小或取向如何，工件将接触晶格1630的至少某一部分以提供所需的导电路径。晶格1630要具有网眼大小以便为有待在衬底1600上制成的工件的大小提供所需的间距。在一些实施例中，晶格1630可以具有穿透衬底1600的深度，而在其他实施例中，晶格1630的深度不一直穿透衬底1600。进一步地，晶格结构1630被形成为使得该结构整个都是导电的，这样使得不管工件在哪儿与晶格结构1630接触，都有到接地点1625的电路径。进一步地，在示例性实施例中，晶格结构1630可以仅存在于衬底1600中的与关于图16所描述的接触区类似的接触区中。也就是，暴露于表面1610下的晶格结构仅在表面1610的离散区域(S卩，接触区)中并且该晶格联接至接地点1625ο在这类实施例中，只要工件的某部分在接触区内并且与晶格1630的一部分接触，则存在电流路径从而允许制造工件。然而，再次，因为表面1610大部分是不导电的和非粘结性的，与已知衬底相比较，工件的去除和加工是容易的。
[0128]图17B示出了可以与本文中的装置一起使用的衬底1600的另一个示例性实施例。在这个实施例中，衬底1600包括分布在整个衬底1600区域上的多个离散的接地点1651/1652/1653等。这些点可以呈图案分布，如晶格图案，这样使得任何使用该衬底的系统的控制器知道其对应的位置。这些接地点由导电材料制成，并且可以是电线、插脚等，并且可以穿过衬底1600，这样使得它们各自也暴露在衬底1600的另一个表面上。在图17B中所示的实施例中，这些接地点穿过衬底1600，这样使得它们其他的末端暴露在衬底1600的底表面上。在其他实施例中，如果期望的话，其他末端可以出自侧面。接地点1651、1652、1653等中的每个接地点电联接至切换电路1660，该切换电路也电联接至系统的电源并且电联接至控制器，该控制器控制着如下所述的电路1660内的接地开关的操作。因为接地点的位置是已知的，增材过程可以在这些接地点之一(例如，点1651)上开始，该点用作增材过程的初始接地路径。一旦该过程开始，可以沿着表面1610移动熔池直到该熔池到达下一个接地点1652。切换电路1660可以允许控制器将建造过程的接地点切换到离正在进行的增材过程最近的接地点。也就是，当该过程的接触尖端移动时，接地点可以被切换以提供距离该操作最近的接地路径。进一步地，在其他示例性实施例中，切换电路1660可以打开不止一条接地路径，通过多个接地点，从而增加可以用于该过程的电流量。进一步地，在示例性实施例中，切换电路1660可以用于将接地电流路径转向到不同的位置以控制熔敷过程。例如，当建造过程接近衬底1600的边缘时，切换器1660可以切换到离衬底1600的中心更近的接地点以帮助控制熔敷过程和熔池。这还可以用于帮助控制电弧的方向，其程度为在熔敷过程中引发任何电弧。
[0129]图17C示出了本发明的进一步的示例性实施例，其中衬底1600进一步包括电联接所有接地点1651、1652、1653等的导线1670，并且导线1670联接至电源，使熔敷电流的接地路径完整。在这类实施例中，不需要使用如上所述的切换电路1660。在所示实施例中，导线1670是安装到衬底1600的表面上的导电板或导电层，所有接地点联接至该导电板或导电层。当然，导线1670不需要在底表面上，但还可以在衬底1600的另一个表面上。在使用过程中，当建造结构接触不止一个接地点1651等时，向导线1670提供附加接地路径，从而再次允许在该过程中使用更多电流。在以上实施例中的任一实施例中，用于熔敷过程的控制器/电源可以控制熔敷电流电平，以便不超过任一接地点的可接受的电流电平。也就是，在建造过程开始时，如果仅使用一个接地点1651，则电流被控制成使得电流电平不超过单个接地点1651的可接受的电平。为此，可能对接地点造成破坏。然而，当建造体前进到附加接地点时，因为接触的附加接地点-因为到导线1670的接地路径数量增加，控制器可以引起电流电平上升。因此，在这类实施例中，因为控制器知道每个接地点的位置，当利用多个接地点时，于是控制器可以增加电流。在这类实施例中，随着接触每个对应的接地点，熔敷电流可以增量地增加，或者当接触合适数量的接地点时，熔敷电流可以在单个步骤中增加。例如，针对200安培的熔敷电流，控制器可以确定(使用存储的信息)这类电流电平需要最少4个接地点。控制器/电源可以利用第一较低的电流电平(例如，50安培)直到接触至少4个接地点，此时，熔敷电流增加到最优电平。在其他实施例中，在接触每个新的接地点时，电流可以增量地增加，直到接触最小量所需的接地点。例如，针对每个后续接地点，电流可以增加50安培，直到达到所期望的熔敷电流电平。可以在系统的控制器中预定/预编程电流增加步骤。
[0130]在本发明的示例性实施例中，接地点是电线或插脚，这些电线或插脚具有大于所使用的焊丝直径的平均直径的平均直径。在示例性实施例中，接地点是具有比所使用的最大焊丝直径大至少20%的平均直径的插脚。在一些示例性实施例中，直径在比直径最大的焊丝的直径大20%至80%的范围内。进一步地，如图17C中所示，插脚可以具有较大的头部区域，如所示，用于与工件附加接触。也就是，这些插脚在衬底的接触表面具有更大的头部区域(例如，像钉子等)，见例如图17C。在插脚1651等具有如图17C中所示的形状的意义上，在考虑如以上讨论的插脚的平均直径时，没有考虑较大的头部区域。
[0131]在进一步的示例性实施例中，接地点1651等(例如，插脚、电线、杆等)在衬底1600中是可去除的和可替换的。例如，如图17C中所示，这些插脚仅驻留在衬底中的孔中并且充当上述接地点。通过掺合剂，这些插脚被固定到工件上，作为其建造体，并且然后当完成后，将工件与这些固定插脚一起去除。然后，可以经由机加工过程去除这些插脚/杆等，并且新的插脚可以被放置在衬底1600中，用于下一个过程。可去除的插脚1651等应具有足够的长度，从而与建造在衬底上的工件并且与接触板1670接触，从而使得可以形成正确的接地电流路径。
[0132]图18A描绘了本发明的示例性实施例，其中，衬底1600包含至少一个冷却通道1640，通过该至少一个冷却通道，在制造工件过程中，或者至少在工件初始制造过程中，可以传递冷却介质。冷却介质可以是气体或液体并且用于将衬底保持在一定温度，这样使得衬底1610的所有部分没有熔化的，或者以其他方式粘附到工件上。通过经由冷却歧管/通道1640的使用来冷却衬底1600，衬底1610可以被保持是凉的，并且表面1610上的任何导电材料(例如，晶格结构、导电颗粒等)可以被保持是凉的，这样使得形成在表面1610上的工件的任何层将不会熔化，或者以其他方式与表面1610上的导电部件粘结。其他实施例可以使用其他冷却方法/工艺而不脱离本发明的范围或精神。例如，可以使用被动热管。
[0133]因此，在示例性实施例中，提供了衬底，该衬底提供所需的导电率，但还提供非粘结性表面，这样使得工件在制造之后更容易去除和加工。
[0134]图18B描绘了本文中所描述的示例性增材制造工艺可以使用的又另一个结构。本文中所描述的增材制造工艺可以用于制造复杂和精致的工件。部件(如这些部件)的简易制造可以通过从非水平的传统衬底或作业表面开始制造过程而得到帮助。例如，可能有利的是制造悬挂配置的工件。也就是，可以更容易制造工件，其中，工件层的初始层/熔敷是悬挂的，这样使得它们从衬底的底部开始延伸，与传统自底向上的平坦表面衬底相反。图18B中所示的实施例描绘了可以在这些情形下使用的示例性桁架结构1800。桁架结构1800可以具有多个支撑部件1810和1820，这些支撑部件彼此电联接，从而允许电流流动。桁架结构1800被配置成使得针对给定的工件，根据期望，工件可以在在结构1800上的任何点开始。例如，如果上下颠倒地、或者从自上而下工艺制造工件更容易，则该部分可以在构件1810和1820之一上的点开始并且通过本文中所描述的工艺向下建造。当然，正在使用的桁架结构和焊灯/接触尖端应被设计成使得这些尖端正确定位在桁架结构1800上。然后，根据需要，该部分可以从结构1810/1820向下建造到衬底1600的表面。如所示，桁架结构1800可以具有其自己的接地接触点1825，或者可以简单地是整个都导电的。进一步地，在一些示例性实施例中，桁架结构可以具有开始建造操作的接触突起1830，工件的一部分的开头固定到这些接触突起上。这些突起1830充当工件的开头所固定到其上的接触节点。这些突起可以使得更容易开始制造过程并且可以使得更容易将最后的部分与桁架结构分开，而不破坏所制造的部分。这些突起1830可以与结构1800的这些部分1810/1820制成一体。在其他实施例中，这些突起1830可以由不同的材料制成和/或可容易与结构分开。例如，突起1830可以是具有头部或突起部分的插脚或其他紧固件型部件，一部分可以固定到该头部或突起部分上并且开始用于制造过程。当完成之后，可以从桁架结构中去除这些插脚，从而允许容易去除所制造的部分。桁架结构1800可以采用任何期望的形状或配置用于给定的制造过程。
[0135]在示例性实施例中，桁架结构1800可以是允许电流传递到衬底1600的金属结构，这可以是上述实施例中的任何实施例。在其他示例性实施例中，桁架结构可以由如以上关于图16和图17概括描述的非粘结性、但导电的材料制成。在任何情况下，结构1800应被构造成使得其可以提供至衬底1600或接地点1825的电流路径，从而允许恰当的加热电流流动。
[0136]图19A、图19B和图19C展示了本文中所描述的本发明的实施例可以使用的增材制造耗材1900的示例性实施例。应概括理解的是，直径大的实芯耗材需要更多的电流/能量来熔化耗材。然而，直径较小的耗材需要较少的电流/能量来熔化，这样使得需要更少的电流/能量量来熔化集体具有与单个直径较大的实芯焊丝相同的截面面积的多根直径较小的耗材。因此，本发明的一些示例性实施例中所使用的耗材是由多个编织的焊丝1903制成的编织耗材1900。在一些实施例中，这些焊丝1903相同，具有相同的直径和组成成分。然而，在其他示例性实施例中，焊丝1903可以彼此不同。例如，在一些实施例中，两种不同的焊丝类型可以用于制成编结耗材1900。在这类实施例中，这些焊丝可以基于直径和/或组成成分而不同。例如，中心焊丝可以具有第一直径和第一组成成分，而周边焊丝1903具有第二直径和第二组成成分，第二直径和第二组成成分两者均不同于该第一直径和第一组成成分。这允许使用具有定制特性的耗材1900来用于特别的制造过程。应注意的是，本文中所描述的用于熔敷实芯或药芯耗材的方法和系统可以用于熔敷编结耗材，如图19A中所示的编结耗材。
[0137]进一步地，在图19A中所示的实施例中，中心焊丝1903’是非编结焊丝，而外周边焊丝1903编结在中心焊丝1903’周围。可以用总体上螺旋形图案、沿着耗材1900的长度进行编结。
[0138]在一些示例性实施例中，耗材1900的编结可以用于增加耗材类型的相对送丝速度。例如，如图19A中所示，中心焊丝1903’可以是第一类型/材料，而周围的焊丝1903可以是不同的类型/材料。因为周围的(外侧)焊丝的长度比中心焊丝更长，针对耗材1900的给定长度，每根对应的焊丝类型的有效熔敷速率是不同的。不同焊丝类型的有效熔敷速率还会受到给定熔池中焊丝类型的相对数量的影响。因此，本发明的实施例允许提高熔敷化学成分的灵活性。
[0139]图19B至图19C描绘了本发明的实施例可以使用的耗材的另一个示例性实施例。然而，与图19A中的耗材1900不同，图19B和图19C中的耗材1900在耗材的芯处具有空隙1910，在该空隙中，芯1910被多根编结焊丝1903包围。这个空心耗材构造允许耗材1900在熔敷过程中被挤压和“成形”，以便允许熔敷过程是可定制的。这将在以下进行更详细的说明。
[0140]形成耗材1900的外部部分的焊丝1903的编结以总体上螺旋形图案完成，类似于已知的焊丝编结方法，但空隙1910维持在耗材1900的芯处。与图19A中相同，在一些实施例中，焊丝1903可以具有相同的直径和组成部分，而在其他实施例中，焊丝1903可以具有不同的特性。图19C中描绘了这个的示例，其中，编结包括具有第一直径和组成成分的第一焊丝类型1903、和具有第二直径和组成成分的第二焊丝类型1905。当然，在一些实施例中，即使焊丝1903/1905的直径不同，组成成分也可以是相同的。如图19C中所示，不同的焊丝1903/1905在耗材1900的截面周边周围交替。在进一步的示例性实施例中，这些焊丝1903/1905可以具有不同的熔化温度，不同的熔化温度可以根据需要提供定制熔敷轮廓和分层。
[0141 ]孔隙1910的尺寸应被确定为使得耗材1900，在熔敷过程中保持相对稳定。如果空隙太大，耗材会变得不稳定并且在熔敷过程中将不维持其完整性。在示例性实施例中，空隙1910的直径在耗材1900 ’的有效直径的5 %至40 %的范围内。“空隙1910的直径”是可以装配在空隙1910内的最大圆形截面的直径，如图19C中虚线圆所示。耗材1900’的“有效直径”是具有与组成耗材1900’的所有焊丝1903/1905的组合式截面面积相同的截面面积的圆的直径。
[0142]如以上指示的，具有中心空隙1910的耗材1900在熔敷过程中被成形为允许改变耗材的熔敷特性。这在图20A和图20B中进行了概括描绘，其中，耗材1900相对于耗材的行进方向被朝着一个方向挤压，从而实现所期望的熔敷宽度。如本文中所描述的，本发明的工艺和系统可以用于经由增材制造来形成复杂的形状。因此，可以形成具有不同厚度的工件和形状等。由于空隙，图19B和图19C中所示的耗材1900允许形成这些复杂的形状和不同的厚度。在图20A中，耗材朝着与行进方向垂直的方向被挤压，这相对于行进方向使耗材1900变窄。通过这样做，产生的熔敷将比耗材的原始直径更窄。类似地，图20B描绘了同一耗材1900朝沿着行进方向的方向被挤压，这引起相对于行进方向使耗材1900加宽。如此，使用这类挤压，可以根据需要形成较宽的熔敷物。如以上阐述的，空隙1910应具有的大小/直径允许耗材1900变形从而与其非压缩状态相比改变其相对宽度。
[0143]在一些示例性实施例中，空隙1910可以填充有熔敷所需要的期望的化学成分的焊剂或粉末。这可以帮助向建造体输送不容易形成焊丝、或者可通过熔化焊丝来传递的期望材料。例如，耐磨粉末可以作为焊剂被添加。
[0144]图20C描绘了本发明的实施例可以使用的接触尖端组件2000和耗材输送系统和方法的另一个示例性实施例。在这个实施例中，至少两个耗材2010和2020被引导至接触尖端组件2000和接触尖端2040，该接触尖端具有允许两个耗材穿过的孔2030。与以上实施例不同，耗材2010和2020没有被编结。它们可以输送自同一耗材源(线轴、卷轴等等)或者可以输送自单独的来源。进一步地，它们可以是相同的耗材，具有相同的尺寸和组成成分，或者根据给定的制造操作所期望的，可以不相同。在进一步的示例性实施例中，可以按不同的速率送进耗材2010和2020，并且在一些实施例中，在熔敷过程中，送进速率可以“飞快地”变化。这类实施例允许在熔敷过程中定制建造体的合金。例如，在该过程的第一部分过程中，可以按相同的速率送进耗材2010和2020，但在建造过程的不同阶段，耗材2010根据需要而放缓或加速，从而创造出期望的熔敷物化学成分。
[0145]进一步地，虽然示出了两个耗材，但根据需要，其他实施例可以使用三个或更多个耗材。在所示实施例中，正如已知耗材输送系统一样，耗材2010和2020被输送到孔2030(该孔可以是椭圆形的、或者是容纳耗材的任何其他形状)并且然后被引导至工件。在熔敷过程中，接触尖端2040被定向成使得耗材提供所期望的熔敷轮廓。进一步地，接触尖端2040是可旋转的(与上述实施例一样)从而允许耗材按照设计被定向并且使熔敷过程的形状或轮廓根据期望来改变。例如，如所示，左边的取向示出了排成一行的取向，该取向将在工件上提供窄熔敷物，但由于耗材朝着行进方向排成一行，高度得到增加。然后，根据需要，接触尖端2040可以被旋转到右边所示的位置。该旋转可以由控制器195和电机等实现，并且可以在熔敷方向变化过程中使用，而不需要改变焊灯的取向。当期望在行进方向上增加熔敷物的宽度时，可以使用在右边的定位。还应注意的是，在一些实施例中，可能没有必要同时送进两个耗材2010和2020。在这类实施例中，耗材2010和2020将通过单独的送丝器(未示出)被送进，并且控制器195可以控制送进这些耗材中的哪个耗材，或者它们是否被同时送进。在这类实施例中，没有被送进的耗材不需要从孔2030中抽回并且因此可以用于维持被送进的耗材的定位。在这类实施例中，耗材的送进可以由控制器195控制，该控制器将在过程中的给定时刻根据需要送进这些耗材中的任一个耗材、或两个耗材。
[0146]进一步地，在图20C中所示的实施例中，耗材2010和2020中的每个耗材共享同一电流，因为它们通过单个孔2030被引导。在这类实施例中，电流可以来自单个电源，并且每个耗材共享电流。然而，图20D描绘了一个不同的示例性实施例。在图20D中所示的实施例中，接触尖端组件2000包含两个可电隔离的接触尖端部分2015和2025。尖端部分2015和2025分别输送耗材2010和2020。然而，组件2000包含可以将尖端部分2015和2025彼此电联接的开关装置或机构2050，这样使得这些部分共享电流，或者可以将这些尖端部分彼此电隔离。在示例性实施例中，这些尖端部分2015和2025中的每个尖端部分联接至单独的电源(PS#1和PS#2)。当开关2050处于断开位置时，每个对应的电源可以向对应的耗材提供单独且不同的加热电流。在这类实施例中，耗材可以按照不同的速率进行熔敷，和/或在大小和组成成分上可以不同。这可以受到控制和用作上述使用多个耗材的类似实施例。然而，在这个实施例中，根据需要，控制器195可以选择开关，此时，接触尖端部分2015和2025电联接并且可以共享来自这些电源P.S.#1或P.S.#2之一的单个电流信号。在这类实施例中，针对给定操作，可能仅需要单个电源，从而减少功率使用和/或消除了对同步信号的需要。在这类实施例中，开关2050可以闭合，这样使得尖端部分2015和2025中的每个尖端部分现在可以彼此联接，从而使得耗材2010和2020共享来自单个来源的同一信号。当开关2050断开时，这些尖端部分彼此电隔离(经由电介质材料或其他适当的手段)，并且如果要熔敷两个耗材，则它们将从单独的电源接收单独的信号。可替代地，在熔敷操作过程中的某个点，可能仅需要的是需要熔敷单个耗材。因此，仅操作一个电源，但出于安全目的，开关2050被断开以将另一个耗材隔尚。开关机构2050可以是能够隔尚和连接尖端部分2015和2025的任何开关结构，并且可以集成到尖端组件2000，或者根据期望，可以远离组件2000。
[0147]现在转到图21A和图21B，示出了使用图19B的耗材1900的代表性接触尖端组件1950的简图。图21A和图2IB示出了在接触尖端组件1950的出口部分向上看的视图，其中图21A描绘了处于非压缩状态的耗材，而图21B描绘了处于压缩状态的耗材1900。应注意的是，以下对接触尖端组件1950的描述旨在是示例性的，并且本领域内的技术人员应理解到，其他配置和设计可以用于使耗材1900根据所期望的来成形，从而在增材制造过程中实现所期望的熔敷。
[0148]如所示，接触尖端组件1950具有耗材开口 1951，耗材穿过该开口。虽然开口 1951被显示为是正方形的，但本发明的实施例在此方面不受限制，并且只要耗材1900在其压缩和非压缩状态两者下均可以穿过，就可以使用其他形状。在所示实施例中，组件1950具有两对接触活塞1953和1955。这些活塞可相对于开口 1951移动，如所示，这样使得它们可以延伸到开口内并且因此在耗材1900上施加压缩力。接触活塞1953和1955被定向成使得一对活塞1953朝着与另一组活塞1955的移动方向垂直的方向移动。因此，如图21B中所示，活塞1953/1955可以朝所期望的方向挤压耗材1900从而实现所期望的形状。每组活塞可以经由已知的致动装置1956移动，如线性致动器等，并且可以由控制器195(未在这些图中示出)控制。进一步地，每个活塞1953/1955被配置成用于向耗材1900提供加热电流波形，这样使得加热电流经由这些活塞被输送到耗材1900。应注意的是，尽管在图中示出了一个致动器1956和偏压1957，但针对每个活塞，示例性实施例将具有类似的部件。
[0149]如图21A中所示，在非压缩状态期间，每个活塞1953/1955与耗材1900接触从而输送加热电流。活塞1953/1955相对于开口 1951被固持在位，从而确保耗材1900维持在其自然状态下。然后，在熔敷过程中，确定(例如，通过控制器)耗材的宽度应改变以实现所期望的熔敷配置，根据需要，耗材应被制作得更宽或更窄。基于此信息，控制器195引起这些活塞1955(经由致动器1956)被致动并且向内移动从而如图21B中所示压缩耗材1900。此外，为了适应耗材1900的形状变化，活塞1953被抽回，从而允许耗材的形状变化。然而，在示例性实施例中，被抽回的活塞1953仍然与耗材1900接触从而将耗材1900固持在正确的位置并且输送加热电流。
[0150]在熔敷过程中，耗材1900的形状可以通过使活塞移动来“飞速地”变化，从而实现所期望的形状。例如，控制器195可以在熔敷过程中根据需要来控制活塞1953/1955缩回和延伸从而改变耗材1900的形状，从宽熔敷到窄熔敷并且再返回，而不停止熔敷过程。
[0151]如以上阐述的，活塞1953/1955的移动/致动可以通过实现期望的运动的任何已知致动器、移动装置实现。在一些示例性实施例中，(本文中未示出)对应的活塞对中的每个活塞可以彼此机械联动，这样使得其相对运动彼此维持一致。在这类实施例中，不是针对每个活塞具有单独的致动器，单个致动器可以用于每个对应的对，并且因为机械联动，每个活塞将适当地移动。
[0152]进一步地，如以上指示的，控制器195可以基于有待构造的期望形状来控制活塞的致动。在进一步的示例性实施例中，在熔敷操作过程中，组件1950可以按照期望进行旋转以实现所期望的形状。也就是，组件1950可以联接至旋转电机和/或机器人臂(或其他类似的运动装置)和控制器195(或其他系统控制器)可以根据需要引起组件旋转，并且将这些活塞中的任何活塞激活从而实现所期望的耗材、和因此熔敷、形状。
[0153]图22描绘了本发明的实施例可以使用的耗材2000的另一个示例性实施例。耗材2000包括焊丝2003的类似的编结结构，具有如上所述的空间2010，而且还包括护套2015。护套2015可以被构造和形成为类似于用于焊接或铜焊耗材的已知护套结构。如所示，在这个实施例中，护套2015完全包围焊丝2003并且具有接缝2017，其是对接缝。护套2015可以由期望熔敷在工件上的任何材料制成。在一些实施例中，护套2015可以是与焊丝2003相同的材料，而在其他实施例中，护套可以由不同的材料制成/具有不同的组成成分。护套2015还可以帮助耗材2000在其由图21A和图21B中的接触尖端组件中的活塞重新形成之后维持其形状。确切地，焊丝通过孔1951被挤压将引起护套2015塑性变形，从而引起耗材2000更容易保持住期望的形状。这可以允许耗材2000的伸出量在熔敷过程中增加。
[0154]图23描绘了本发明的实施例可以使用的另一个示例性耗材2100。耗材2100包含护套2110和芯2120，其中，护套2110具有比芯2120更低的熔化温度。通过具有这种相异的熔化温度，耗材2100的实施例可以提供对部件制造的增强控制。在自始至终耗材在总体相同的温度熔化的实施例中，产生的熔融熔池的动态在熔敷和建造过程中起到重要的作用。在某些情形下，对熔池的控制会是困难的，特别是在高精度制造工艺中，或者在正构造的工件的厚度非常薄时。在这类应用中，熔池动态会难以控制和解释。然而，当使用耗材2100时，护套2110在芯2120之前熔化。熔融护套材料于是提供熔融基质来将芯材料粘附到工件上。在这类应用中，熔池的重要性减小，并且在一些情形下，熔池可以被消除。进一步地，在替代性实施例中，随着熔池和熔融护套材料将一起工作来将芯材料粘附到工件上，熔池的大小和/或深度会减小。如此，当使用耗材2100时，熔池的动态会没那么重要。
[0155]在示例性实施例中，芯2120可以是实芯，而在其他实施例中，芯2120可以是期望的材料的粉末或颗粒。在这类实施例中，耗材2100可以被成形为(如以上讨论的)实现所期望的熔敷。也就是，因为芯2120可以是粉末或颗粒状的，耗材2100的外部部分可以被成形和挤压以实现所期望的耗材轮廓。在附加实施例中，耗材可以被构造成和至少图22中所示的那个相同，其中，护套围绕多根单独的焊丝，并且其中，这些焊丝2003中的至少一些(或全部)焊丝具有比护套2015更高的熔化温度。实际上，在这类实施例中的一些实施例中，焊丝2003相对于彼此可以具有不同的熔化温度。例如，焊丝2003中的第一多根焊丝可以具有第一熔化温度(高于护套熔化温度)，而焊丝2003中的第二多根焊丝可以具有比焊丝2003中的这些第一焊丝的熔化温度更高或更低的熔化温度。这类实施例可以为熔化和建造耗材的轮廓提供增加的灵活性。进一步地，在一些实施例中，热源(例如，激光器)和/或电流被控制，这样使得芯2120的至少某一部分在熔敷过程中也被熔化。然而，在其他实施例中，芯2120的材料在熔敷过程中没有被熔化。也就是，护套2110被熔化，并且液态护套材料用于将未熔化的芯材料固定到工件上。在这类实施例中，以分层方式创造工件，在熔融护套材料与芯材料之间交替。应注意的是，尽管图23描绘了耗材2100具有圆形截面，但本发明的实施例在此方面不受限制。耗材2100还可以具有按照期望使工件的构造受益的任何期望的形状。例如，耗材2100可以具有正方形、矩形、多边形、或椭圆形截面。当然，也可以使用其他形状。
[0156]在示例性实施例中，护套2110和芯2120的材料被选择成使得护套2110在处于比芯材料的温度低5%到45%范围内的温度下熔化。在进一步的示例性实施例中，护套2110的熔化温度在芯材料的熔化温度的1 %至35 %的范围内。当然，护套和芯中每者的材料的确切组成成分应基于正在建造的工件的期望的组成成分和构造来进行选择。
[0157]图24A描绘了另一个示例性实施例，其中，耗材2200具有非圆形截面，并且护套材料2210没有在耗材2200的整个周边周围延伸。也就是，耗材2200具有不对称的截面。例如，在所示实施例中，护套材料2210的位置仅在耗材的芯材料2220的一侧。图24B描绘了另一个这类示例性实施例，其中，耗材的总体形状是六边形，并且护套材料2210’仅覆盖芯2220’的六边形截面的5条边。当然，基于耗材的期望的性能和熔敷特性，可以使用其他形状和覆盖范围。图24C是另一个示例性实施例，其示出了具有对称截面的耗材2200”，但护套材料2210”和芯材料2220”的分布不是对称的。这种配置允许使用接触尖端和被设计用于典型的对称耗材的设备来使用耗材，但耗材本身是不对称的。在这类实施例中，护套材料2210熔化并且为耗材的芯部分2220提供粘附，但不从耗材的周围熔化。在这类实施例中，在熔敷过程期间，在粘附之前，耗材可以按照期望被定向。护套材料充当将芯材料结合或粘结到工件上的粘附材料。进一步地，在这类实施例中，电流/热量输入受到控制以确保保留所期望的护套材料熔化而不完全熔化芯材料。
[0158]图24D是本发明的实施例可以使用的耗材2200”’的进一步的示例性实施例。除了护套层2210” ’具有分层构造以外，耗材2200” ’类似于以上讨论的那些耗材。在这类实施例中，护套层2210”’可以是固体材料或者可以是焊剂。实际上，在以上讨论的实施例中的任何实施例中，护套层可以是焊剂，而不是固体金属护套。在那些实施例中，在一些应用中，可能期望将材料置于在熔敷过程期间不应被熔化的(或者使熔化最小化)焊剂护套内。为了实现这种情况，一些实施例使用分层护套/焊剂2210” ’，其中，靠着芯2220” ’的表面S的焊剂的组成成分与在该焊剂的外边缘的焊剂的化学成分不同。图24D将此示出为层A和层B，其中，层A具有第一组成成分，而层B具有第二组成成分。这些层的创造可以使用不需要在文本中讨论的已知熔敷技术。这种类型的构造允许层B中的材料远离芯2220”’中的直接热量，这将以其他方式熔化层B中的组成部分。例如，可能期望的是，将碳化钨熔敷在熔池中，如果它们与芯2220”’直接接触，则其可能容易熔化。在这个实施例中，层A充当热量缓冲区，从而允许层B的材料熔敷而极少熔化或不熔化。当然，应理解到，两个层A和B之间的划分不需要是清晰的精确直线，但可以是从一种组成成分到另一种组成成分的转移。进一步地，层B相对于层A的形状和相对截面面积可以基于该应用的期望组成成分来确定。图24D被示出为示例性实施例，并且可以使用其他形状和配置，而没有脱离本发明的精神或范围。
[0159]联接至计算机的用户界面展示了一个用于支持本文中所描述的系统和方法的可能硬件配置，包括控制器195、或用于控制和/或操作本文中所描述的系统的类似系统。为了为本发明的不同方面提供附加上下文，以下讨论旨在提供对合适计算环境的简要、概括描述，在该计算环境中可以实现本发明的不同方面。本领域的技术人员将认识到，本发明还可以结合其他程序模块和/或作为硬件与软件的组合来实现。一般而言，程序模块包括执行具体任务或实现具体抽象数据类型的例程、程序、部件、数据结构等。
[0160]而且，本领域的技术人员将认识到，本发明方法可以用其他计算机系统配置来实践，包括单处理器或多处理器计算机系统、微型计算机、大型计算机、以及个人计算机、手持式计算装置、基于微处理器的或可编程的消费电子产品等等，其中每个可以操作性地联接至一个或多个相关联的装置。所展示的本发明的各方面还可以在某些任务是由通过通信网络链接的远程处理装置执行的分布式计算环境中实践。在分布式计算环境中，程序模块既可以位于本地存储器存储装置中又可以位于远程存储器存储装置中。
[0161]控制器195可以利用示例性环境用于实现本发明的不同方面，包括计算机，其中，该计算机包括处理单元、系统存储器和系统总线。系统总线将系统部件联接起来，包括但不限于将系统存储器联接至处理单元。该处理单元可以是不同的可商购处理器中的任何处理器。还可以采用双微处理器以及其他多处理器架构作为处理单元。
[0162]该系统总线可以是若干类型的总线结构中的任何一种，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、以及使用各种各样的可商购总线架构的本地总线。系统存储器可以包括只读存储器(ROM)与随机存取存储器(RAM)。包含如在启动期间帮助在计算机内的元件之间传递信息的基本例程的基本输入/输出系统(B1S)存储在ROM中。
[0163]控制器195可以进一步包括硬盘驱动器、磁盘驱动器(例如，用于从可移除磁盘读取或写入到其中)、以及光盘驱动器(例如，用于读取⑶-ROM盘或从其他光介质读取或写入到其中)。控制器195可以包括至少某一种形式的计算机可读介质。计算机可读介质可以是可以由计算机访问的任何可用的介质。举例来讲，但无限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括在任何方法或技术中实现的用于存储信息(如计算机可读指令、数据结构、程序模块、或其他数据)的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、R0M、EEPR0M、闪存或其他存储器技术、CD-R0M、数字多功能盘(DVD)或其他光存储装置、或者可以用于存储所期望的信息且可以由联接至控制器195的用户界面访问的任何其他介质。
[0164]通信介质通常实施计算机可读指令、数据结构、程序模块或在已调制的数据信号(如载波或其他运输机制)中的其他数据并包括任何信息输送介质。术语“已调制的数据信号”是指以编码信号中的信息的这种方式使其特性中的一种或多种特性被设置或改变的信号。举例来讲而非限制地，通信介质包括有线介质(如有线网络或直接有线连接)以及无线介质(如声学、RF、红外线及其他无线介质)。上述任何内容的组合还应包括在计算机可读存储介质的范围中。
[0165]可以将多个程序模块存储在驱动器和RAM中，包括操作系统、一个或多个应用程序、其他程序模块和程序数据。计算机中的操作系统或用户界面300可以是多种可商购操作系统中的任一种操作系统。
[0166]此外，使用者可以通过键盘和定点装置(如鼠标)将命令和信息输入到计算机中。其他输入装置可以包括传声器、IR远程控件、跟踪球、笔输入装置、操纵杆、游戏板、数字化平板、圆盘式卫星天线、扫描仪等等。这些和其他输入装置经常通过联接至系统总线上的串行端口接口连接至处理单元上，但可以通过其他接口(总线结构(如并行端口、游戏端口、通用串行总线(“USB”)、IR接口)和/或不同的无线技术来连接。监视器或其他类型的显示装置也可以经由接口(如视频适配器)连接到系统总线。还可以通过远程显示网络协议(远程桌面协议、VNC、X-Window系统等)来完成视觉输出。除了视觉输出以外，计算机通常包括其他外围输出装置，如扬声器、打印机等。
[0167]显示器可以与联接至控制器195的用户界面一起用于呈现从处理单元电子地接收的数据。例如，显示器可以是电子地呈现数据的LCD式、等离子体式、CRT式等监视器。可替代地或此外，显示器可以呈现硬拷贝格式的接收数据，如打印机、传真、绘图仪等。显示器可以用任何颜色呈现数据并且可以经由任何无线或硬线协议和/或标准来从用户界面接收数据。
[0168]计算机可以在使用至一个或多个远程计算机(如远程计算机)的逻辑和/或物理连接的联网环境下操作。远程计算机可以是工作站、服务器计算机、路由器、个人计算机、基于微处理器的娱乐电器、对等装置或其他常见的网络节点，并且通常包括关于计算机描述的元件中的许多或所有元件。所描绘的逻辑连接包括局域网(LAN)以及广域网(WAN)。这类联网环境在办公室、企业范围的计算机网络、企业内部网以及互联网中是司空见惯的。
[0169]当用于LAN联网环境中时，计算机通过网络接口或适配器连接至局域网。当用于WAN联网环境中时，计算机通常包括调制解调器，或者连接至LAN上的通信服务器，或者具有用于在WAN(如互联网)上建立连接的其他装置。在联网环境中，关于计算机或其多个部分描绘的程序模块可以存储在远程存储器存储装置中。将认识到，本文中所描述的网络连接是示例性的并且可以使用在计算机之间建立通信链路的其他装置。
[0170]虽然已经参照某些实施例描述了本发明，但本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种改变并且替换等效物。此外，可以进行许多修改以使具体的情况或材料适应本发明的传授内容而不脱离其范围。因此，本发明不旨在局限于所披露的具体实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施例。
【主权项】
1.一种增材制造系统，包括: 一个高能装置，该高能装置以高能放电照射一个工件的一个表面从而在所述工件的一个表面上产生一个熔融熔池；以及 一个电源，该电源向一个耗材供应一个加热信号，其中，所述加热信号包括多个电流脉冲，并且其中，所述多个电流脉冲中的每个电流脉冲在所述耗材的熔敷到所述熔池中的远端上产生一个熔融熔滴； 其中，所述多个电流脉冲中的每个电流脉冲在所述耗材的所述远端接触到所述熔池之后达到一个峰值电流电平， 其中，所述加热信号在所述多个电流脉冲中的所述多个电流脉冲之间没有电流； 其中，所述耗材的所述远端在所述多个电流脉冲的后续多个峰值电流电平之间不与所述熔池接触； 其中，所述电源控制所述加热电流，这样使得在所述多个电流脉冲期间，所述焊丝与所述工件之间不产生电弧;并且 其中，所述耗材包括多根单独的焊丝，这些焊丝同时被引导至所述工件。2.如权利要求1所述的系统，其中，所述多根单独的焊丝被一个护套包围。3.如权利要求1所述的系统，其中，所述多根单独的焊丝在所述耗材的中心产生一个空隙。4.如权利要求3所述的系统，其中，所述空隙具有在该耗材的有效直径的5%至40%范围内的直径。5.如权利要求1所述的系统，其中，所述多根单独的焊丝具有带有第一直径的第一多根焊丝和带有第二直径的第二多根焊丝，该第二直径与所述第一直径不同。6.如权利要求1所述的系统，其中，所述多根单独的焊丝具有带有一种第一组成成分的第一多根焊丝和带有一种第二组成成分的第二多根焊丝，该第二组成成分与所述第一组成成分不同。7.如权利要求1所述的系统，其中，所述多根单独的焊丝具有带有第一熔化温度的第一多根焊丝和带有第二熔化温度的第二多根焊丝，该第二熔化温度与所述第一熔化温度不同。8.如权利要求3所述的系统，进一步包括一个耗材输送组件，该耗材输送组件改变所述耗材的所述耗材熔敷的形状。9.如权利要求2所述的系统，其中，所述护套具有比所述多根单独的焊丝更低的熔化温度。10.一种增材制造系统，包括: 一个高能装置，该高能装置以高能放电照射一个工件的一个表面从而在所述工件的一个表面上产生熔融熔池；以及 一个电源，该电源向一个耗材供应一个加热信号，其中，所述加热信号包括多个电流脉冲，并且其中，所述多个电流脉冲中的每个电流脉冲在所述耗材的熔敷到所述熔池中的远端上产生一个熔融熔滴； 其中，所述多个电流脉冲中的每个电流脉冲在所述耗材的所述远端接触到所述熔池之后达到一个峰值电流电平， 其中，所述加热信号在所述多个电流脉冲中的所述多个电流脉冲之间没有电流； 其中，所述耗材的所述远端在所述多个电流脉冲的后续多个峰值电流电平之间不与所述熔池接触； 其中，所述电源控制所述加热电流，这样使得在所述多个电流脉冲期间，所述焊丝与所述工件之间不产生电弧;并且 其中，所述耗材包括多根编结的焊丝，这些焊丝同时被引导至所述工件。11.如权利要求10所述的系统，其中，所述多根单独的焊丝被一个护套包围。12.如权利要求10所述的系统，其中，所述多根单独的焊丝在所述耗材的中心产生一个空隙。13.如权利要求12所述的系统，其中，所述空隙具有在该耗材的有效直径的5%至40 %范围内的直径。14.如权利要求10所述的系统，其中，所述多根单独的焊丝具有带有第一直径的第一多根焊丝和带有第二直径的第二多根焊丝，该第二直径与所述第一直径不同。15.如权利要求10所述的系统，其中，所述多根单独的焊丝具有带有一种第一组成成分的第一多根焊丝和带有一种第二组成成分的第二多根焊丝，该第二组成成分与所述第一组成成分不同。16.如权利要求10所述的系统，其中，所述多根单独的焊丝具有带有第一熔化温度的第一多根焊丝和带有第二熔化温度的第二多根焊丝，该第二熔化温度与所述第一熔化温度不同。17.如权利要求10所述的系统，进一步包括一个耗材输送组件，该耗材输送组件改变所述耗材的所述耗材熔敷的形状。18.如权利要求11所述的系统，其中，所述护套具有比所述多根单独的焊丝更低的熔化温度。19.一种增材制造系统，包括: 一个高能装置，该高能装置以高能放电照射一个工件的一个表面从而在所述工件的一个表面上产生熔融熔池；以及 一个电源，该电源向多个耗材供应一个加热信号，其中，所述加热信号包括多个电流脉冲，并且其中，所述多个电流脉冲中的每个电流脉冲在所述多个耗材的熔敷到所述熔池中的多个远端上产生至少一个熔融熔滴； 其中，所述多个电流脉冲中的每个电流脉冲在所述多个耗材的所述多个远端接触到所述熔池之后达到一个峰值电流电平， 其中，所述加热信号在所述多个电流脉冲中的所述多个电流脉冲之间没有电流； 其中，所述多个耗材的所述多个远端在所述多个电流脉冲的后续多个峰值电流电平之间不与所述熔池接触； 其中，所述电源控制所述加热电流，这样使得在所述多个电流脉冲期间，所述多个耗材与所述工件之间不产生电弧;并且 其中，所述多个耗材相对于所述多个耗材的行进方向的取向能够在熔敷过程中转动。
【文档编号】B23K3/047GK105983741SQ201610156822
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】B·纳拉亚南, P·E·丹尼, S·R·彼得斯, 狄厄尼索斯·达马托, M·怀特黑德
【申请人】林肯环球股份有限公司